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水滴和氣泡幾乎無處不在,從煮的咖啡,到復(fù)雜的工業(yè)過程,甚至火山噴發(fā)。挪威科技大學(xué)和挪威國立師范大學(xué)的新研究,提高了我們對這些氣泡和液滴如何形成的理解,這可以提高模擬氣候變化的能力。在受控的實驗室環(huán)境中理解純水中液滴的形成,是足夠具有挑戰(zhàn)性的,但在大氣中,液滴是在許多其他物質(zhì)存在的情況下形成。它們中的一些,如氮、氧和氬,與水的相互作用不大,很容易解釋。
混亂產(chǎn)生于表面活性物質(zhì),即喜歡停留在液滴表面的物質(zhì)。如果你見過硬表面上的水珠,你就會看到水的表面張力在起作用。水分子更多地相互吸引,而不是與空氣中的分子吸引,導(dǎo)致它們盡可能緊密地粘在一起,導(dǎo)致水滴形成圓頂。表面活性物質(zhì)的一個例子是乙醇,它存在于啤酒、葡萄酒、香檳和其他酒精飲料中。在一滴香檳中,乙醇分子堆積在表面,極大地降低了其表面張力。
經(jīng)典理論的缺陷
挪威科技大學(xué)研究員Ailo Aasen專注于雜質(zhì)存在下的成核,他新發(fā)表在《物理評論快報》期刊上的研究結(jié)果與不同的工業(yè)過程有關(guān),特別是大氣科學(xué)和氣候模型。在大氣中形成水滴之前,水分子之間必須發(fā)生足夠的隨機碰撞,才能形成水滴的種子或“核”。微小的、納米大小的水滴被稱為臨界核,它的形成被稱為成核。這些納米尺寸的液滴通常在塵埃顆粒周圍形成,表面活性雜質(zhì)堆積在液滴表面。當(dāng)一個足夠大的液滴形成后,它會自發(fā)生長。
成核理論的一個主要目標(biāo)是了解這種關(guān)鍵‘水滴種子’的性質(zhì),在雨滴中,水分子有兩種類型:水滴內(nèi)部的水分子和水滴表面的水分子。水滴是圓形的,因此表面的水分子,比液滴內(nèi)部的分子鄰接分子少,液滴越小,其分子在表層的比例就越大。液滴核必須達到臨界大小才能繼續(xù)生長,因為它必須克服由于液滴外部分子數(shù)量較少而產(chǎn)生的表面張力。表面張力越小,液滴越容易形成。
這是雜質(zhì)可以產(chǎn)生很大影響的地方:表面活性物質(zhì)降低了水滴和空氣之間的表面張力??梢钥吹?,微小濃度的表面活性雜質(zhì),可以極大地提高水滴的形成速度。由于表面活性物質(zhì),如硫酸和氨,可以在雨滴形成期間以低濃度存在,這可能是天氣預(yù)報和氣候模型的重要輸入?yún)?shù)。當(dāng)存在表面活性雜質(zhì)時,經(jīng)典成核理論就會嚴(yán)重失效。
考慮曲率因素
如果水滴是在酒精存在的情況下形成,對水滴形成速率的預(yù)測可能會偏離20倍以上。事實上,經(jīng)典理論預(yù)測形成的水滴比研究人員在實驗中實際測量的要少10^20倍。把這個數(shù)字放到上下文中來看,銀河系中的恒星數(shù)量大約是10^11顆——比這個數(shù)字少了10億倍。除了非常不準(zhǔn)確之外,經(jīng)典理論還做出了物理上不可能的預(yù)測。在某些情況下,例如對于水-乙醇,它預(yù)測液滴中的水分子數(shù)量為負(fù)數(shù),這當(dāng)然是不可能的。
Aasen研究背后的假設(shè)是,這些差異源于理論中的一個假設(shè),該假設(shè)認(rèn)為原子核是球形的,但具有與完全平坦的表面相同的表面張力。這里的部分問題是很難估計成核過程中表面張力的行為,所以經(jīng)典理論包括了液滴中表面張力與發(fā)現(xiàn)的平面相同假設(shè),這簡化了計算。大氣中形成的微小液滴核只有幾納米寬,高度彎曲。假設(shè)成核的表面張力與完全平坦的表面相同,這是經(jīng)典理論并不總是成立的主要原因。
研究使用了液滴表面的復(fù)雜模型,再加上液體和蒸汽的精確熱力學(xué)模型,以改進經(jīng)典理論。通過在解釋液滴彎曲程度的理論中,適當(dāng)?shù)匕鼫?zhǔn)確的表面張力表示,能夠使成核率的理論預(yù)測與實驗中實際觀察到的結(jié)果相一致,將偏差從20多個數(shù)量級減少到不到兩個數(shù)量級。經(jīng)典成核理論有時做出奇怪的、物理上不可能的預(yù)測也消失了。
對液滴形成的更深層次理解和對其進行建模的程序,可以帶來遠遠超出氣候科學(xué)的好處:這個理論和框架有可能在未來幾年改善對如此多現(xiàn)象的描述和理解。
博科園|研究/來自:挪威科技大學(xué)
參考期刊《物理評論快報》
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