En dag på stranden omgiven av tunga moln, eller den klibbiga värmen i en salt dis kan verka som ett verk av stora, oförutsägbara krafter. Men bakom sådana atmosfäriska fenomen ligger miljarder små interaktioner mellan luften och mikroskopiska droppar saltvatten som kastas uppåt när bubblor på havets yta brister.

Forskning som nyligen publicerats i tidskriften Fysiska granskningsvätskor beskriver nu "jethastigheten" för dessa droppar, eller aerosoler, som de förekommer i vätskor som havsvatten och mousserande vin. Forskarna skapade en modell för att förutsäga hastigheten och höjden på jet aerosoler som produceras av bubblor från 20 mikron till flera millimeter i storlek, och i vätskor så viskösa som vatten, eller upp till tio gånger mer viskös.

"Strålen" hänvisar till vätskan som sprutar upp efter att en bubbla sprack. När bubblans kupolliknande film är borta, det lilla hålrum bubblan som skapades under ytan rusar för att stängas. Botten av hålrummet stiger snabbt när sidorna av det kollapsar nedåt. När dessa krafter möts, de skjuter ut en vattenstråle i luften som innehåller droppar i storlek från en till 100 mikron. En mikron är en miljonedel av en meter; ett människohår är ungefär 100 mikron i diameter.

Droppar från sprängande bubblor är det huvudsakliga sättet med vilket aerosoler produceras ovanför det öppna havet, sa författaren Luc Deike, en biträdande professor i maskin- och rymdteknik vid Princeton University och Princeton Environmental Institute (PEI). Att veta hastigheten och höjden med vilken aerosoler kastas i luften kan användas för mer exakt klimatmodellering eller skapa ett perfekt glas champagne.

"Vi har en modell som beskriver jethastighet i många typer av vätskor, "Sade Deike, vars PEI Urban Grand Challenges -projekt, "Extreme Wave Breaking in Coastal Urban Areas, "stödde forskningen." Om du känner till vätskan du funderar på och storleken på den första bubblan, vi kan berätta storleken på jetplanet och hastigheten på det. "

I havsvatten, aerosoler överför fukt, salt, och även toxiner som alger från havet till luften, Sa Deike. Forskarna fann att dessa bitiga buntar av element och organismer kan sväva uppåt med hastigheter så snabbt som 50 meter per sekund (111 miles per timme) där de kan transporteras in i atmosfären.

"Dessa små droppar skjuter upp med en hastighet som sätter dem högt upp i atmosfären. Detta händer så snart du har bubblor i havsvatten, och du har bubblor så snart du har vågor. Det händer hela tiden, "sa Deike, som studerar luft-havs interaktioner och dynamiken i brytande vågor.

"Jag tittar på denna process för att ge en bättre förklaring till sjöspray-aerosoler som kan användas för att mata atmosfäriska modeller, "Deike sa." Tanken är att ha något som är mer fysiskt och mer exakt. Detta är något i liten skala som påverkar storskaliga atmosfäriska processer, såsom molnbildning och strålningsbalans. Om du har ett skadligt biologiskt medel på vattnet som släpper ut toxiner, dessa toxiner kan bli en del av atmosfären. "

Deike och hans medförfattare använde experimentella resultat-baserade på vatten och glycerin blandat med vatten-och numeriska förutsägelser för att skapa sin modell. Forskarna fann att viskositet är allt - vid en viss tidpunkt en vätska, som honung, blir så tjock att aerosoler inte längre produceras. På samma gång, "sweet spot" när det gäller bubblans storlek i vatten är cirka 20 mikron. Bubblor mindre än 10 mikron eller mer än fyra millimeter producerar inga jet -aerosoler efter att de sprack.

Medförfattare Gérard Liger-Belair, Universitetsprofessor i kemisk fysik vid universitetet i Reims Champagne-Ardenne, som studerar upplösta gaser och bubbeldynamik i champagne och mousserande vin, sade att forskarnas arbete gäller många områden av vetenskapligt och ekonomiskt intresse.

"Denna artikel visar att det fina samspelet mellan bubblans storlek och olika vätskeparametrar - främst dess viskositet, densitet och ytspänning - har en inverkan på aerosolen som produceras av en bubblande bubbla, "sa Liger-Belair, som skrev boken 2013, "Uncorked:The Science of Champagne" publicerad av Princeton University Press. "Detta papper är verkligen universellt, och slutsatserna kan gälla havsspray som produceras i hav eller aerosoler som produceras ovanför ett glas mousserande vin. "

I vin - som är ungefär dubbelt så visköst som vatten - transporterar den första (och största) utkastade droppen vinets doft över glasets kant och till konsumentens näsa, Sa Liger-Belair. För miljardindustrin han studerar, att maximera denna droppe är en prioritet. Detta publicerade arbete kan användas för att ändra glasgeometri, halter av upplöst koldioxid, eller till och med viskositet - vilket en konsument inte skulle märka - för att öka bubblans storlek, hastighet och, Således, "doftupplevelsen, " han sa.

"Att kunna förutsäga de bästa parametrarna för glaset och mousserande vin när det gäller aromfrisättning genom sprängning av bubblor är verkligen ett betydande framsteg, "Sa Liger-Belair." Champagneindustrin kan dra nytta av resultaten från detta dokument, som, för första gången, presenterar en detaljerad beskrivning av jethastigheten som bildas av sprängande bubblor för ett stort antal fysiska parametrar. "

Forskarnas nästa steg är att ange storleken på aerosolerna samt kvantifiera antalet droppar som släpps, Sa Deike.

"Det här arbetet berättar hastigheten och projektionen av aerosoler, men vi arbetar med hur många droppar det faktiskt finns, "Deike sa." Det kan tyckas att det finns för många att räkna, men vi måste fortfarande räkna dem. "