Hvordan små vanddråber dannes kan have stor indflydelse på klimamodeller

Dråber og bobler dannes næsten overalt, fra at koge vores morgenkaffe, til komplekse industrielle processer og endda vulkanudbrud. Ny forskning fra SINTEF og NTNU i Norge, forbedrer vores forståelse af, hvordan disse bobler og dråber dannes. Dette kan forbedre vores evne til at modellere klimaændringer.

At forstå dråbe dannelse i rent vand i et kontrolleret laboratorium er udfordrende nok, men i atmosfæren, dråber dannes i nærvær af mange andre stoffer.

Nogle af dem, som nitrogen, ilt og argon, interagerer ikke meget med vand og er lette at redegøre for. Komplikationerne skyldes overfladeaktive arter, nemlig stoffer, der foretrækker at blive på dråbens overflade.

Du har set vandets overfladespænding i aktion, hvis du nogensinde har set en vandperle op på en hård overflade. Vandmolekylerne tiltrækkes mere til hinanden end til molekylerne i luften, får dem til at klæbe så tæt sammen som de kan, får dråben til at danne en kuppel.

Et eksempel på en overfladeaktiv art er ethanol, som findes i øl, vin, champagne og andre alkoholholdige drikkevarer. I en dråbe champagne, ethanolmolekylerne hober sig op ved overfladen og reducerer dens overfladespænding drastisk.

SINTEF-forsker Ailo Aasen, der for nylig afsluttede sin ph.d. på NTNU, delvist fokuseret på nukleation i nærvær af urenheder. Resultaterne, for nylig offentliggjort i det prestigefyldte tidsskrift Fysisk gennemgangsbreve , er relevante for forskellige industrielle processer, men især atmosfærisk videnskab og klimamodeller.

Manglerne ved den klassiske teori

Inden der kan dannes en vanddråbe i atmosfæren, nok tilfældige kollisioner mellem vandmolekyler skal forekomme for at danne et frø, eller "kerne, "for dråben. Den lille, nanosiseret dråbe vand kaldes en kritisk kerne, og dets dannelse er kendt som nukleation. Disse nanoserede dråber dannes typisk omkring støvpartikler, og overfladeaktive urenheder hober sig op ved dråbeoverfladen. Efter at der er dannet en stor nok dråbe, det vil vokse spontant.

"Et stort mål med nukleationsteorien er at forstå egenskaberne ved dette kritiske" dråbesæd. "I en regndråbe, vandmolekylerne er af to typer:dem i det indre af dråben, og dem på overfladen, "Siger Ailo.

En dråbe er rund, så vandmolekylerne på overfladen har færre naboer end dem inde i dråben. Jo mindre en dråbe, jo større andel af dets molekyler er i overfladelaget.

Kernen skal nå en kritisk størrelse for at fortsætte med at vokse, fordi den skal overvinde overfladespændingen, der skyldes det færre antal molekyler på ydersiden af ​​dråben. Jo mindre overfladespænding, jo lettere er det for dråben at danne. Ifølge Ailo, det er her, urenheder kan gøre en stor forskel:"Overfladeaktive arter reducerer overfladespændingen mellem dråben og luften. Vi ser, at en minutkoncentration af en overfladeaktiv urenhed dramatisk kan øge falddannelseshastigheden. Siden overflade- aktive arter som svovlsyre og ammoniak kan være til stede i lave koncentrationer under dannelse af regndråber, dette vil sandsynligvis være et vigtigt input til vejrudsigter og klimamodeller. "

Under hensyntagen til krumning

Klassisk nukleationsteori mislykkes spektakulært, når overfladeaktive urenheder er til stede. For eksempel, hvis der dannes vanddråber i nærvær af alkoholer, forudsigelser af den hastighed, hvormed dråber dannes, kan være slukket med mere end en faktor 20. Faktisk kan den klassiske teori forudsiger, at 10^20 (10 efterfulgt af 19 nuller) danner færre dråber, end forskere rent faktisk kan måle i eksperimenter. For at sætte dette nummer i kontekst, antallet af stjerner i Mælkevejen er omkring 10^11 (10 efterfulgt af 19 nuller) - en milliard gange lavere.

Udover at være groft unøjagtig, den klassiske teori gør forudsigelser, der er fysisk umulige. I nogle tilfælde, såsom for vand-ethanol, den forudsiger, at der er et negativt antal vandmolekyler i dråben, hvilket selvfølgelig er umuligt.

Hypotesen bag Aasens forskning var, at disse uoverensstemmelser stammer fra en antagelse i teorien, som betragter kernen som sfærisk, men har samme overfladespænding som en helt flad overflade.

En del af problemet her er, at det er meget vanskeligt at estimere, hvordan overfladespænding opfører sig under nukleation, så den klassiske teori inkluderer antagelsen om, at overfladespændingen i en dråbe er den samme, som man finder en flad overflade, hvilket forenkler beregninger, Forklarer Ailo.

De bittesmå kerner, der dannes i atmosfæren, er kun få nanometer brede og stærkt buede. Forudsat at kernerne har den samme overfladespænding som en helt flad overflade er en væsentlig årsag til at den klassiske teori ikke altid virker.

Ailo og hans kolleger brugte en sofistikeret model til dråbeoverfladen, kombineret med en nøjagtig termodynamisk model for væsken og dampen, at forbedre den klassiske teori.

Ved korrekt at inkludere en mere præcis fremstilling af overfladespændingen i den teori, der tegner sig for, hvor buet dråben er, de var i stand til at forene de teoretiske forudsigelser af nukleationshastigheder med dem, der faktisk blev observeret i eksperimenter, reducere uoverensstemmelsen fra mere end 20 til mindre end to størrelsesordener. Det mærkelige, fysisk umulige forudsigelser, der undertiden blev fremsat af den klassiske nukleationsteori, forsvandt også.

Aasen blev overvåget af Øivind Wilhelmsen på SINTEF, hvis arbejde i 2016 på damp-væske-grænseflader udgjorde grundlaget for den nye forskning. Han mener, at den dybere forståelse af dråbedannelse og en fremgangsmåde til modellering kan medføre fordele langt ud over klimavidenskaben:"Denne teori og ramme har potentiale til at forbedre beskrivelsen og forståelsen af ​​så mange fænomener i de kommende år, fra industrielle processer til. "