بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به بحران منابع آب که تقریبا در حال تبدیل به یک معضل جهانی است، فرصت مناسبی فرارسیده تا موضوع تحقیقات و مطالعات پیرامون باروري ابرها بهطور جدي مدنظر قرار بگیرد. هدف از این مطالعه بررسی ساختار مولکولی قطرههاي آب تشکیل دهنده ابر در شرایط ابراشباع جوي است تا بتوان راه مناسبی براي هستهزایی روي ابر بهمنظور باروري مصنوعی پیدا کرد. براي این منظور، از نرمافزار شبیهسازي LAMMPS استفاده شده است. نتایج حاصله نشان میدهد با افزایش میزان ابراشباع نسبی در دماي ثابت، امکان تجمع مولکولهاي آب افزایش مییابد.
مقدمه
یکی از شاخههاي هواشناسی که به بررسی علوم ابرها در اتمسفر میپردازد، فیزیک ابر است و از دیگر شاخههاي اصلی هواشناسی فیزیکی میتوان به اصلاح هوا، پژوهش روي طوفانهاي شدید و مخرب اشاره کرد.[1] هنگامی که حجم زیادي از هوا تا زیر نقطه شبنم سرد شود، ابر تشکیل میشود که این عمل سرد کردن در اتمسفر، غالبا توسط انبساط آدیاباتیکی هواي صعود کننده ایجاد میشود.[1] هوا به عنوان مخلوطی از دو گاز ایدهال، هواي خشک و بخار آب، در مفهوم هواشناسی مطرح شدهاست که این مخلوط، هواي مرطوب نامیده میشود. فیزیکدان انگلیسی ویلسون1در سال 1877، نشان داد که با سرد کردن هواي مرطوبی که داراي ذرات خارجی نباشد، میتوان آنرا به حالت فوقاشباع رساند. اولین بار آیتکن2 در سال 1880 ثابت کرد که تنها علت تشکیل ابر و باران، سرد شدن هواي مرطوب نیست، بلکه باید به عوامل دیگري که براي تراکم آب لازم است، نیز توجه شود.
او با وارد کردن مقداري دوده در ظرفی محتوي هواي فوقاشباع مشاهده کرد که بلافاصله تراکم صورت گرفتهاست، لیکن وي به این نتیجه رسید که بخار آب به هنگام تراکم، روي میلیونها ذره کوچک بهنام هسته مینشیند. شیفر در پایان قرن بیستم 3 - 1946 - ، با رها کردن 1/5 کیلوگرم قرصهاي یخ خشک از یک هواپیماي سبک بهدرون ابر استراتوکومولوس عدسی شکل فوقسرد؛ پس از 5 دقیقه بارش برف را تا حدود 600 متر در هواي خشک زیر پایه ابر مذکور مشاهده کرد. این برفها قبل از تصعید محو شدند. شیفر متوجه شد با فروریختن قرصهاي یخ خشک، در ابر، دما را تا -78 درجه سانتیگراد میتوان پایین آورد و این عمل منجر به تشکیل میلیونها بلور یخ میشود.[1] در این پژوهش، تأثیر ابراشباع نسبی بر ساختار آب در چگالیهاي مختلف بررسی شده است. براي این منظور، از نرمافزار شبیهسازي دینامیک مولکولی LAMMPS استفاده شده است.
روش انجام پژوهش
شبیهسازي
از آنجایی که انجام آزمایش واقعی در شرایط ابراشباع نسبی کار دشواري است، از شبیهسازي استفاده میکنیم. بهطور مختصر میتوان گفت، عددي کردن مدلهاي تئوریک یا نظري را شبیهسازي مینامند2]و.[ 3 یکی از نرمافزارهاي شبیهسازي دینامیک مولکولی لمپس است که براي شبیهسازي مدل TIP4P آب با استفاده از این نرمافزار، 84 اتمبا میدان نیروي PPPM در دماي 298 کلوین و چگالی 0/94g/cm3، با شرایط مرزي متناوب در یک جعبه مکعب به ضلع 9.672 آنگستروم و شعاع قطع 8/5 آنگستروم و پارامترهاي لنارد-جونز شبیهسازي شد. شکل 1 مقایسه تابع توزیع شعاعی مدل مذکور با نتایجی که در گذشته بدست آمده را نمایش میدهد. براي محاسبه تابع توزیع شعاعی، در هنگرد NVT با استفاده از ترموستات لوز-هوور و در یکمیلیون گام زمانی، و مدت زمان میانگینگیري 1نانوثانیه شبیهسازي انجام شد با مشاهده تطابق قابل قبول، این نرمافزار براي شبیهسازي آب در شرایط ابراشباع جوي انتخاب شد. شکل : 1
مقایسه تابع توزیع شعاعی اکسیژن-اکسیژن نسبت به فاصله ذرات - آنگستروم - از یکدیگر شبیهسازي آب در شرایط ابراشباع جوي آب بهرغم اندازه کوچک مولکول آن بهعنوان الگویی براي مدلهاي مختلف میدان نیرو عمل میکند. بهعلاوه، بسیاري از خواص آب را میتوان به سادگی با استفاده از روشهاي شبیهسازي رایانهاي تعیین و با یافتههاي تجربی مقایسه کرد. انواع مختلفی از مدلها براي آب پیشنهاد شده است. کارایی محاسباتی و ارزیابی انرژي با استفاده از یک مدل خاص، اغلب فاکتور مهمی است، زیرا ممکن است تعداد زیادي از مولکول هاي آب همراه با حلشونده در سیستم موجود باشد. بنابراین، بیشتر میدانهاي نیروي مورد استفاده در شبیهسازي آب مایع، از پتانسیل جفتی مؤثر، استفاده میکنند 5 ]و.[ 4
مدلهاي آب به سه گروه تقسیم میشود. در مدلهاي ساده جایگاهی، مولکولهاي آب در یک ساختار هندسی صلب ثابت نگهداشته میشود و انرژي برهمکنش آنها با جملات ناپیوندي جفتی معمول محاسبه میشود. در مدلهاي انعطافپذیر، تغییرات داخلی صورتبندي مولکولهاي آب مجاز است. در نهایت مدلهایی نیز توسعه یافتهاند که اثرات قطبشپذیري و چندجسمی
را بهطور صریح در نظر میگیرند. یکی از خواصی که با اسفاده از شبیهسازي دینامیک مولکولی قابل محاسبه است، تابع توزیع شعاعی است. تابع توزیع شعاعی مثالی از یک تابع همبستگی جفتی است، که بیان میکند چگونه اتمها در یک سیستم بهطور متوسط از نظر فاصله در اطراف یک مولکول توزیع میشوند. از نظر کمی تابع توزیع شعاعی ساختار یک سیال را برحسب احتمال یافتن سایر ذرات در یک فاصله مشخص از اتم مرکزي نسبت به حالتی که توزیع ذرات یکنواخت است، نشانمیدهد. اهمیت تابع توزیع شعاعی در این پژوهش این است که با استفاده از آن میتوان تمایل مولکولهاي آب براي تجمع و تشکیل قطرك را ارزیابی کرد.
بحث و نتیجه گیري
در این پژوهش، مدل پتانسیل TIP4P براي برهمکنش بین مولکولهاي آب مورد استفاده قرار گرفت. در همه شبیهسازيها از 500 مولکول آب استفاده شد. دما در همه محاسبات -12 °C ثابت نگه داشته شد. با توجه به متغیر بودن فشارهاي ابراشباع، اندازه جعبههاي شبیهسازي در هر فشار متناسب با چگالی آب تنظیم شد. در فشار 500 میلیبار جعبه مکعبی به ابعاد 261 آنگستروم، براي 600 میلیبار، 130 آنگستروم و براي 700 میلیبار 295 آنگستروم انتخاب شد. همه شبیهسازيها در هنگرد کانونی انجام گردید و از ترموستات لوز-هووز براي کنترل دما استفاده شد. میدان نیرو براي شبیهسازيهاي انجام شده TIP4P انتخاب شد. زمان میانگینگیري براي هر سه سیستم 3 نانوثانیه در نظر گرفته شد . نمودارهاي گزارش شده در شکلهاي 2 تا 4، تابع توزیع شعاعی مولکولهاي آب در سه فشار 500، 600 و 700 میلیبار است. گزارشی مشابه این شبیهسازي براي مقایسه دیده نشده است.
