In the atmosphere, water can be present in liquid and solid phases, but the vapor phase is generally predominant. Condensed phases of water occur under a wide range of conditions, ranging from polar mesospheric clouds at the lowest atmospheric temperatures and at low pressure to the much warmer tropospheric clouds. The temperature range at which ice or water clouds are observed spans from T = 100 to 300 K with pressures ranging from about 10−3 mbar to about 1 bar. Over this wide range, water is known to form several condensed phases, which can be separated into crystalline (hexagonal and stacking disordered ice) and noncrystalline phases (liquid and supercooled liquid water, amorphous solid water). We report on the vapor pressure of these water phases with a focus on metastable amorphous solid water and stacking disordered ice in the light of recent experimental findings and discuss possible implications for the atmosphere. We present evidence that supercooled liquid water and low density amorphous solid water do not belong to the same phase and therefore, no continuous vapor pressure curve can be given.

1.
M.
Rapp
and
F. J.
Lübken
,
Atmos. Chem. Phys.
4
,
2601
(
2004
).
2.
M.
Rapp
,
F. J.
Lübken
,
A.
Müllemann
,
G. E.
Thomas
, and
E. J.
Jensen
,
J. Geophys. Res.: Atmos.
107
,
4392
, https://doi.org/10.1029/2001JD001241 (
2002
).
3.
F. J.
Lübken
,
J.
Lautenbach
,
J.
Höffner
,
M.
Rapp
, and
M.
Zecha
,
J. Atmos. Sol.-Terr. Phys.
71
,
453
(
2009
).
4.
H. R.
Pruppacher
and
J. D.
Klett
,
Microphysics of Clouds and Precipitation
, 2nd ed. (
Kluwer Academic Publishers
,
Dordrecht
,
2004
).
5.
M.
Nachbar
,
D.
Duft
, and
T.
Leisner
,
J. Phys. Chem. B
122
,
10044
(
2018
).
6.
M.
Nachbar
,
D.
Duft
, and
T.
Leisner
,
Atmos. Chem. Phys.
18
,
3419
(
2018
).
7.
D.
Duft
,
M.
Nachbar
, and
T.
Leisner
,
Atmos. Chem. Phys.
19
,
2871
(
2019
).
8.
M.
Chonde
,
M.
Brindza
, and
V.
Sadtchenko
,
J. Chem. Phys.
125
,
094501
(
2006
).
9.
S.
Mitlin
and
K. T.
Leung
,
J. Phys. Chem. B
106
,
6234
(
2002
).
10.
S.
Mitlin
and
K. T.
Leung
,
Can. J. Chem.
82
,
978
(
2004
).
11.
K.
Amann-Winkel
,
R.
Böhmer
,
F.
Fujara
,
C.
Gainaru
,
B.
Geil
, and
T.
Loerting
,
Rev. Mod. Phys.
88
,
011002
(
2016
).
12.
G. P.
Johari
,
G.
Fleissner
,
A.
Hallbrucker
, and
E.
Mayer
,
J. Phys. Chem.
98
,
4719
(
1994
).
13.
O.
Mishima
and
H. E.
Stanley
,
Nature
396
,
329
(
1998
).
14.
O.
Mishima
and
H. E.
Stanley
,
Nature
392
,
164
(
1998
).
15.
R. J.
Speedy
,
P. G.
Debenedetti
,
R. S.
Smith
,
C.
Huang
, and
B. D.
Kay
,
J. Chem. Phys.
105
,
240
(
1996
).
16.
A. K.
Soper
,
Nat. Mater.
13
,
671
(
2014
).
17.
P. V.
Hobbs
,
Ice Physics
(
Oxford University Press
,
New York
,
1974
).
18.
A.
Hudait
,
S.
Qiu
,
L.
Lupi
, and
V.
Molinero
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
18
,
9544
(
2016
).
19.
L.
Lupi
,
A.
Hudait
,
B.
Peters
,
M.
Grünwald
,
R.
Gotchy Mullen
,
A. H.
Nguyen
, and
V.
Molinero
,
Nature
551
,
218
(
2017
).
20.
J. C.
Johnston
and
V.
Molinero
,
J. Am. Chem. Soc.
134
,
6650
(
2012
).
21.
M. A.
Carignano
,
J. Phys. Chem. C
111
,
501
(
2007
).
22.
T. C.
Hansen
,
M. M.
Koza
, and
W. F.
Kuhs
,
J. Phys.: Condens. Matter
20
,
285104
(
2008
).
23.
T. L.
Malkin
,
B. J.
Murray
,
A. V.
Brukhno
,
J.
Anwar
, and
C. G.
Salzmann
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
109
,
1041
(
2012
).
24.
E. B.
Moore
and
V.
Molinero
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
13
,
20008
(
2011
).
25.
S.
Choi
,
E.
Jang
, and
J. S.
Kim
,
J. Chem. Phys.
140
,
014701
(
2014
).
26.
M.
Seo
,
E.
Jang
,
K.
Kim
,
S.
Choi
, and
J. S.
Kim
,
J. Chem. Phys.
137
,
154503
(
2012
).
27.
P.
Pirzadeh
and
P. G.
Kusalik
,
J. Am. Chem. Soc.
133
,
704
(
2011
).
28.
W. F.
Kuhs
,
C.
Sippel
,
A.
Falenty
, and
T. C.
Hansen
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
109
,
21259
(
2012
).
29.
T. L.
Malkin
,
B. J.
Murray
,
C. G.
Salzmann
,
V.
Molinero
,
S. J.
Pickering
, and
T. F.
Whale
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
17
,
60
(
2015
).
30.
B. J.
Murray
,
T. L.
Malkin
, and
C. G.
Salzmann
,
J. Atmos. Sol.-Terr. Phys.
127
,
78
(
2015
).
31.
T. C.
Hansen
,
M. M.
Koza
,
P.
Lindner
, and
W. F.
Kuhs
,
J. Phys.: Condens. Matter
20
,
285105
(
2008
).
32.
B. J.
Murray
and
A. K.
Bertram
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
8
,
186
(
2006
).
33.
K.
Shimaoka
,
J. Phys. Soc. Jpn.
15
,
106
(
1960
).
34.
G.
Honjo
,
N.
Kitamura
,
K.
Shimaoka
, and
K.
Mihama
,
J. Phys. Soc. Jpn.
11
,
527
(
1956
).
35.
J. E.
Shilling
,
M. A.
Tolbert
,
O. B.
Toon
,
E. J.
Jensen
,
B. J.
Murray
, and
A. K.
Bertram
,
Geophys. Res. Lett.
33
,
L17801
, https://doi.org/10.1029/2006gl026671 (
2006
).
36.
F. V.
Shallcross
and
G. B.
Carpenter
,
J. Chem. Phys.
26
,
782
(
1957
).
37.
L. F.
Keyser
and
M.-T.
Leu
,
Microsc. Res. Tech.
25
,
434
(
1993
).
38.
G.
Jancso
,
J.
Pupezin
, and
W. A.
Van Hook
,
J. Phys. Chem.
74
,
2984
(
1970
).
39.
K.
Bielska
,
D. K.
Havey
,
G. E.
Scace
,
D.
Lisak
,
A. H.
Harvey
, and
J. T.
Hodges
,
Geophys. Res. Lett.
40
,
6303
, https://doi.org/10.1002/2013gl058474 (
2013
).
40.
V.
Fernicola
,
L.
Rosso
, and
M.
Giovannini
,
Int. J. Thermophys.
33
,
1363
(
2012
).
41.
A.
Wexler
,
J. Res. Natl. Bur. Stand., Sect. A
81
,
5
(
1977
).
42.
W.
Wagner
,
A.
Saul
, and
A.
Pruss
,
J. Phys. Chem. Ref. Data
23
,
515
(
1994
).
43.
W.
Wagner
,
T.
Riethmann
,
R.
Feistel
, and
A. H.
Harvey
,
J. Phys. Chem. Ref. Data
40
,
043103
(
2011
).
44.
J.
Marti
and
K.
Mauersberger
,
Geophys. Res. Lett.
20
,
363
, https://doi.org/10.1029/93gl00105 (
1993
).
45.
K.
Mauersberger
and
D.
Krankowsky
,
Geophys. Res. Lett.
30
,
1121
, https://doi.org/10.1029/2002gl016183 (
2003
).
46.
G. F.
Kraus
and
S. C.
Greer
,
J. Phys. Chem.
88
,
4781
(
1984
).
47.
G.
Beltramino
,
L.
Rosso
,
D.
Smorgon
, and
V.
Fernicola
,
J. Chem. Thermodyn.
105
,
159
(
2017
).
48.
K.
Scheel
and
W.
Heuse
,
Ann. Phys.
334
,
723
(
1909
).
49.
G.
Bottomley
,
Aust. J. Chem.
31
,
1177
(
1978
).
50.
P.
Flubacher
,
A. J.
Leadbetter
, and
J. A.
Morrison
,
J. Chem. Phys.
33
,
1751
(
1960
).
51.
W. F.
Giauque
and
J. W.
Stout
,
J. Am. Chem. Soc.
58
,
1144
(
1936
).
52.
C. A.
Angell
, in
Water and Aqueous Solutions at Subzero Temperatures
, edited by
F.
Franks
(
Springer US
,
Boston, MA
,
1982
), p.
1
.
53.
D. G.
Archer
and
R. W.
Carter
,
J. Phys. Chem. B
104
,
8563
(
2000
).
54.
E.
Tombari
,
C.
Ferrari
, and
G.
Salvetti
,
Chem. Phys. Lett.
300
,
749
(
1999
).
55.
D. M.
Murphy
and
T.
Koop
,
Q. J. R. Meteorol. Soc.
131
,
1539
(
2005
).
56.
R.
Feistel
and
W.
Wagner
,
J. Phys. Chem. Ref. Data
35
,
1021
(
2006
).
57.
R.
Feistel
and
W.
Wagner
,
Geochim. Cosmochim. Acta
71
,
36
(
2007
).
58.
C. E.
Bryson
,
V.
Cazcarra
, and
L. L.
Levenson
,
J. Chem. Eng. Data
19
,
107
(
1974
).
59.
N. J.
Sack
and
R. A.
Baragiola
,
Phys. Rev. B
48
,
9973
(
1993
).
60.
P.
Löfgren
,
P.
Ahlström
,
J.
Lausma
,
B.
Kasemo
, and
D.
Chakarov
,
Langmuir
19
,
265
(
2003
).
61.
A.
Kouchi
,
Nature
330
,
550
(
1987
).
62.
D. E.
Brown
,
S. M.
George
,
C.
Huang
,
E. K. L.
Wong
,
K. B.
Rider
,
R. S.
Smith
, and
B. D.
Kay
,
J. Phys. Chem.
100
,
4988
(
1996
).
63.
R. S.
Smith
,
J.
Matthiesen
,
J.
Knox
, and
B. D.
Kay
,
J. Phys. Chem. A
115
,
5908
(
2011
).
64.
H. J.
Fraser
,
M. P.
Collings
,
M. R. S.
McCoustra
, and
D. A.
Williams
,
Mon. Not. R. Astron. Soc.
327
,
1165
(
2001
).
65.
S.
La Spisa
,
M.
Waldheim
,
J.
Lintemoot
,
T.
Thomas
,
J.
Naff
, and
M.
Robinson
,
J. Geophys. Res.: Planets
106
,
33351
, https://doi.org/10.1029/2000je001305 (
2001
).
66.
O.
Sneh
,
M. A.
Cameron
, and
S. M.
George
,
Surf. Sci.
364
,
61
(
1996
).
67.
P. M.
Hundt
,
R.
Bisson
, and
R. D.
Beck
,
J. Chem. Phys.
137
,
074701
(
2012
).
68.
M. A.
Tolbert
and
A. M.
Middlebrook
,
J. Geophys. Res.: Atmos.
95
,
22423
, https://doi.org/10.1029/jd095id13p22423 (
1990
).
69.
C. E.
Bryson
 III
,
V.
Cazcarra
, and
L. L.
Levenson
,
J. Vac. Sci. Technol.
11
,
411
(
1974
).
70.
E. R.
Batista
,
P.
Ayotte
,
A.
Bilić
,
B. D.
Kay
, and
H.
Jónsson
,
Phys. Rev. Lett.
95
,
223201
(
2005
).
71.
K. D.
Gibson
,
D. R.
Killelea
,
H.
Yuan
,
J. S.
Becker
, and
S. J.
Sibener
,
J. Chem. Phys.
134
,
034703
(
2011
).
72.
M. A.
Floriano
,
Y. P.
Handa
,
D. D.
Klug
, and
E.
Whalley
,
J. Chem. Phys.
91
,
7187
(
1989
).
73.
Y. P.
Handa
,
O.
Mishima
, and
E.
Whalley
,
J. Chem. Phys.
84
,
2766
(
1986
).
74.
A.
Hallbrucker
and
E.
Mayer
,
J. Phys. Chem.
91
,
503
(
1987
).
75.
J. A.
Ghormley
,
J. Chem. Phys.
48
,
503
(
1968
).
76.
A.
Hallbrucker
,
E.
Mayer
, and
G. P.
Johari
,
J. Phys. Chem.
93
,
4986
(
1989
).
77.
D. R.
MacFarlane
and
C. A.
Angell
,
J. Phys. Chem.
88
,
759
(
1984
).
78.
Y. P.
Handa
,
D. D.
Klug
, and
E.
Whalley
,
J. Chem. Phys.
84
,
7009
(
1986
).
79.
J. A.
McMillan
and
S. C.
Los
,
Nature
206
,
806
(
1965
).
80.
M.
Sugisaki
,
H.
Suga
, and
S.
Seki
,
Bull. Chem. Soc. Jpn.
41
,
2591
(
1968
).
81.
E.
Mayer
and
A.
Hallbrucker
,
Nature
325
,
601
(
1987
).
82.
T.
Hondoh
,
T.
Itoh
,
S.
Amakai
,
K.
Goto
, and
A.
Higashi
,
J. Phys. Chem.
87
,
4040
(
1983
).
83.
F.
Smallenburg
,
P. H.
Poole
, and
F.
Sciortino
,
Mol. Phys.
113
,
2791
(
2015
).
84.
A.
Zaragoza
,
M. M.
Conde
,
J. R.
Espinosa
,
C.
Valeriani
,
C.
Vega
, and
E.
Sanz
,
J. Chem. Phys.
143
,
134504
(
2015
).
85.
D.
Quigley
,
J. Chem. Phys.
141
,
121101
(
2014
).
86.
E. H. G.
Backus
and
M.
Bonn
,
J. Chem. Phys.
121
,
1038
(
2004
).
87.
T.
Kondo
,
H. S.
Kato
,
M.
Bonn
, and
M.
Kawai
,
J. Chem. Phys.
126
,
181103
(
2007
).
88.
P.
Jenniskens
and
D. F.
Blake
,
Astrophys. J.
473
,
1104
(
1996
).
89.
M.
Kumai
,
J. Glaciol.
7
,
95
(
1968
).
90.
L. G.
Dowell
and
A. P.
Rinfret
,
Nature
188
,
1144
(
1960
).
91.
W. F.
Kuhs
,
D. V.
Bliss
, and
J. L.
Finney
,
J. Phys. Colloques
48
,
C1
(
1987
).
92.
G. P.
Arnold
,
E. D.
Finch
,
S. W.
Rabideau
, and
R. G.
Wenzel
,
J. Chem. Phys.
49
,
4365
(
1968
).
93.
H.
Tanaka
and
I.
Okabe
,
Chem. Phys. Lett.
259
,
593
(
1996
).
94.
H.
Tanaka
,
J. Chem. Phys.
108
,
4887
(
1998
).
95.
D. W.
Fahey
,
R. S.
Gao
,
O.
Möhler
,
H.
Saathoff
,
C.
Schiller
,
V.
Ebert
,
M.
Krämer
,
T.
Peter
,
N.
Amarouche
,
L. M.
Avallone
,
R.
Bauer
,
Z.
Bozóki
,
L. E.
Christensen
,
S. M.
Davis
,
G.
Durry
,
C.
Dyroff
,
R. L.
Herman
,
S.
Hunsmann
,
S. M.
Khaykin
,
P.
Mackrodt
,
J.
Meyer
,
J. B.
Smith
,
N.
Spelten
,
R. F.
Troy
,
H.
Vömel
,
S.
Wagner
, and
F. G.
Wienhold
,
Atmos. Meas. Tech.
7
,
3177
(
2014
).
96.
E.
Mayer
and
R.
Pletzer
,
Nature
319
,
298
(
1986
).
97.
G. A.
Kimmel
,
K. P.
Stevenson
,
Z.
Dohnalek
,
R. S.
Smith
, and
B. D.
Kay
,
J. Chem. Phys.
114
,
5284
(
2001
).
98.
G. A.
Kimmel
,
Z.
Dohnálek
,
K. P.
Stevenson
,
R. S.
Smith
, and
B. D.
Kay
,
J. Chem. Phys.
114
,
5295
(
2001
).
99.
Z.
Dohnalek
,
G. A.
Kimmel
,
P.
Ayotte
,
R. S.
Smith
, and
B. D.
Kay
,
J. Chem. Phys.
118
,
364
(
2003
).
100.
C. R.
Hill
,
C.
Mitterdorfer
,
T. G. A.
Youngs
,
D. T.
Bowron
,
H. J.
Fraser
, and
T.
Loerting
,
Phys. Rev. Lett.
116
,
215501
(
2016
).
101.
U.
Raut
,
M.
Fama
,
B. D.
Teolis
, and
R. A.
Baragiola
,
J. Chem. Phys.
127
,
204713
(
2007
).
102.
K. P.
Stevenson
,
G. A.
Kimmel
,
Z.
Dohnalek
,
R. S.
Smith
, and
B. D.
Kay
,
Science
283
,
1505
(
1999
).
103.
C.
Mitterdorfer
,
M.
Bauer
,
T. G. A.
Youngs
,
D. T.
Bowron
,
C. R.
Hill
,
H. J.
Fraser
,
J. L.
Finney
, and
T.
Loerting
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
16
,
16013
(
2014
).
104.
A.
Kouchi
,
T.
Yamamoto
,
T.
Kozasa
,
T.
Kuroda
, and
J. M.
Greenberg
,
Astron. Astrophys.
290
,
1009
(
1994
).
105.
A.
Sepúlveda
,
E.
Leon-Gutierrez
,
M.
Gonzalez-Silveira
,
C.
Rodríguez-Tinoco
,
M. T.
Clavaguera-Mora
, and
J.
Rodríguez-Viejo
,
J. Chem. Phys.
137
,
244506
(
2012
).
106.
R. J.
Speedy
,
J. Phys. Chem.
91
,
3354
(
1987
).
107.
E. H.
Mitchell
,
U.
Raut
,
B. D.
Teolis
, and
R. A.
Baragiola
,
Icarus
285
,
291
(
2017
).
108.
R.
Scott Smith
,
C.
Huang
,
E. K. L.
Wong
, and
B. D.
Kay
,
Surf. Sci.
367
,
L13
(
1996
).
109.
W.
Hage
,
A.
Hallbrucker
,
E.
Mayer
, and
G. P.
Johari
,
J. Chem. Phys.
103
,
545
(
1995
).
110.
S. D.
Guzewich
,
E. R.
Talaat
,
A. D.
Toigo
,
D. W.
Waugh
, and
T. H.
McConnochie
,
J. Geophys. Res.: Planets
118
,
1177
, https://doi.org/10.1002/jgre.20076 (
2013
).
111.
M.
Vincendon
,
C.
Pilorget
,
B.
Gondet
,
S.
Murchie
, and
J. P.
Bibring
,
J. Geophys. Res.: Planets
116
,
E00j02
, https://doi.org/10.1029/2011je003827 (
2011
).
112.
L.
Maltagliati
,
F.
Montmessin
,
A.
Fedorova
,
O.
Korablev
,
F.
Forget
, and
J. L.
Bertaux
,
Science
333
,
1868
(
2011
).
113.
E. J.
Jensen
,
J. B.
Smith
,
L.
Pfister
,
J. V.
Pittman
,
E. M.
Weinstock
,
D. S.
Sayres
,
R. L.
Herman
,
R. F.
Troy
,
K.
Rosenlof
,
T. L.
Thompson
,
A. M.
Fridlind
,
P. K.
Hudson
,
D. J.
Cziczo
,
A. J.
Heymsfield
,
C.
Schmitt
, and
J. C.
Wilson
,
Atmos. Chem. Phys.
5
,
851
(
2005
).
114.
T.
Peter
,
C.
Marcolli
,
P.
Spichtinger
,
T.
Corti
,
M. B.
Baker
, and
T.
Koop
,
Science
314
,
1399
(
2006
).
You do not currently have access to this content.