Så meget afhænger af hastigheden af ​​bittesmå dråber kastet opad

En dag på stranden omgivet af tunge skyer, eller den klæbrige varme fra en salt dis kan virke som store, uforudsigelige kræfter. Men bag sådanne atmosfæriske fænomener er milliarder af små interaktioner mellem luften og mikroskopiske dråber saltvand kastet opad, når bobler på havets overflade brister.

Forskning for nylig offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgangsvæske beskriver nu "strålehastighed" for disse dråber, eller aerosoler, som de forekommer i væsker som havvand og mousserende vin. Forskerne skabte en model til at forudsige hastigheden og højden af ​​jet aerosoler produceret af bobler fra 20 mikron til flere millimeter i størrelse, og i væsker så viskøse som vand, eller op til ti gange mere tyktflydende.

"Strålen" refererer til den væske, der støder op, efter at en boble er sprængt. Når først den kuppellignende film af boblen er væk, det lille hulrum boblen skabt under overfladen skynder sig at lukke. Bunden af ​​hulrummet stiger hurtigt, når siderne af det falder ned. Når disse kræfter mødes, de sender en vandstråle ud i luften, der indeholder dråber i størrelse fra en til 100 mikron. En mikron er en milliondel af en meter; et menneskehår er cirka 100 mikrometer i diameter.

Dråber fra sprængende bobler er de vigtigste midler til at producere aerosoler over det åbne hav, sagde første forfatter Luc Deike, en adjunkt i Princeton University i maskin- og rumfartsteknik og Princeton Environmental Institute (PEI). At kende hastigheden og højden, hvormed aerosoler kastes i luften, kan bruges til mere præcis klimamodellering eller til at skabe et perfekt glas champagne.

"Vi har en model, der beskriver jethastighed i mange typer væsker, "Sagde Deike, hvis PEI Urban Grand Challenges -projekt, "Ekstrem bølge bryder i kystnære byområder, " støttede forskningen. "Hvis du kender den væske, du overvejer, og størrelsen af ​​den oprindelige boble, vi kan fortælle dig størrelsen af ​​jetflyet og hastigheden af ​​den."

I havvand, aerosoler overfører fugt, salt, og endda toksiner som alger fra havet til luften, Sagde Deike. Forskerne fandt ud af, at disse bitsy bundter af elementer og organismer kan svæve opad med hastigheder så hurtigt som 50 meter i sekundet (111 miles i timen), hvor de kan transporteres ind i atmosfæren.

"Disse små dråber skyder op med en hastighed, der sætter dem højt oppe i atmosfæren. Dette sker, så snart du har bobler i havvand, og du har bobler, så snart du har bølger. Det sker hele tiden, sagde Deike, der studerer luft-hav interaktioner og dynamikken i at bryde bølger.

"Jeg kigger på denne proces for at give en bedre forklaring af havspray-aerosoler, der kan bruges til at fodre atmosfæriske modeller, "Deike sagde." Ideen er at have noget, der er mere fysisk og mere præcist. Dette er noget i lille skala, der påvirker store atmosfæriske processer, såsom skydannelse og strålingsbalance. Hvis du har et skadeligt biologisk middel på vandet, der frigiver toksiner, disse toksiner kan blive en del af atmosfæren. "

Deike og hans medforfattere brugte eksperimentelle resultater-baseret på vand og glycerin blandet med vand-og numeriske forudsigelser til at skabe deres model. Forskerne fandt ud af, at viskositet er alt - på et bestemt tidspunkt, en væske, såsom honning, bliver så tyk, at der ikke længere produceres aerosoler. På samme tid, den "søde plet" med hensyn til boblestørrelse i vand er omkring 20 mikron. Bobler mindre end 10 mikron eller mere end fire millimeter producerer ingen jet-aerosoler, efter de er sprængt.

Medforfatter Gérard Liger-Belair, Universitetsprofessor i kemisk fysik ved University of Reims Champagne-Ardenne, der studerer opløste gasser og bobledynamik i champagne og mousserende vin, sagde, at forskernes arbejde gælder for mange områder af videnskabelig og økonomisk interesse.

"Denne artikel viser, at det fine samspil mellem boblestørrelse og forskellige væskeparametre - primært dens viskositet, densitet og overfladespænding - har indflydelse på aerosolen, der dannes af en sprængende boble, sagde Liger-Belair, hvem skrev bogen i 2013, "Uncorked:The Science of Champagne" udgivet af Princeton University Press. "Dette papir er i sandhed universelt, og konklusionerne kan gælde for havspray produceret i oceaner eller aerosoler produceret over et glas mousserende vin. "

I vin – som er omkring dobbelt så tyktflydende som vand – transporterer den første (og største) dråbe, der udkastes, vinens aroma over kanten af ​​et glas og til næsen af ​​dens forbruger, Liger-Belair sagde. For den milliardindustri, han studerer, at maksimere denne dråbe er en prioritet. Dette publicerede værk kunne bruges til at ændre glasgeometri, niveauer af opløst kuldioxid, eller endda vinviskositet - som en forbruger ikke ville bemærke - for at øge boblestørrelsen, hastighed og, dermed, "aromaoplevelse, " han sagde.

"At være i stand til at forudsige de bedste parametre for glasset og den mousserende vin med hensyn til aromafrigivelse gennem virkningen af ​​sprængte bobler er virkelig et betydeligt fremskridt, "Liger-Belair sagde." Champagneindustrien kunne drage fordel af resultaterne af dette papir, hvilken, for første gang, præsenterer en detaljeret beskrivelse af strålehastighed dannet af sprængende bobler for en lang række fysiske parametre. "

Forskernes næste trin er at specificere aerosolernes størrelse samt kvantificere antallet af frigivne dråber, sagde Deike.

"Dette stykke arbejde fortæller dig hastigheden og projektionen af ​​aerosoler, men vi arbejder på, hvor mange dråber der faktisk er, "Sagde Deike." Det kan se ud til, at der er for mange at tælle, men vi mangler stadig at tælle dem. "