Droppar och bubblor bildas nästan överallt, från att koka vårt morgonkaffe, till komplexa industriella processer och till och med vulkanutbrott. Ny forskning från SINTEF och NTNU i Norge, förbättrar vår förståelse för hur dessa bubblor och droppar bildas. Detta kan förbättra vår förmåga att modellera klimatförändringar.

Att förstå droppbildning i rent vatten i en kontrollerad labbmiljö är tillräckligt utmanande, men i atmosfären, droppar bildas i närvaro av många andra ämnen.

Några av dem, som kväve, syre och argon, interagerar inte mycket med vatten och är lätta att redogöra för. Komplikationerna uppstår från ytaktiva arter, nämligen ämnen som föredrar att stanna på droppens yta.

Du har sett vattnets ytspänning i aktion om du någonsin har sett en vattenpärla upp på en hård yta. Vattenmolekylerna attraheras mer till varandra än till molekylerna i luften, får dem att hålla ihop så hårt de kan, vilket får droppen att bilda en kupol.

Ett exempel på en ytaktiv art är etanol, som finns i öl, vin, champagne och andra alkoholhaltiga drycker. I en droppe champagne, etanolmolekylerna hopar sig vid ytan och drastiskt sänker dess ytspänning.

SINTEF-forskaren Ailo Aasen, som nyligen avslutade sin Ph.D. vid NTNU, delvis inriktad på kärnbildning i närvaro av föroreningar. Resultaten, nyligen publicerad i den prestigefyllda tidskriften Fysiska granskningsbrev , är relevanta för olika industriella processer men särskilt atmosfärsvetenskap och klimatmodeller.

Den klassiska teorins brister

Innan en vattendroppe kan bildas i atmosfären, tillräckligt många slumpmässiga kollisioner mellan vattenmolekyler måste inträffa för att bilda ett frö, eller "kärna, "för droppen. Den lilla, vattendroppe i nanostorlek kallas en kritisk kärna, och dess bildning är känd som kärnbildning. Dessa nanostora droppar bildas vanligtvis runt dammpartiklar, och ytaktiva föroreningar hopar sig vid droppytan. Efter att en tillräckligt stor droppe har bildats, det kommer att växa spontant.

"Ett huvudmål med kärnbildningsteorin är att förstå egenskaperna hos detta kritiska "droppfrö." I en regndroppe, vattenmolekylerna är av två typer:de i det inre av droppen, och de vid ytan, " säger Ailo.

En droppe är rund, så att vattenmolekylerna på ytan har färre grannar än de inuti droppen. Ju mindre en droppe, desto större del av dess molekyler är i ytskiktet.

Kärnan måste nå en kritisk storlek för att fortsätta växa, eftersom det måste övervinna ytspänningen som blir resultatet av det färre antalet molekyler på utsidan av droppen. Ju mindre ytspänningen är, desto lättare är det för droppen att bildas. Enligt Ailo, det är här föroreningar kan göra stor skillnad:"Ytaktiva ämnen minskar ytspänningen mellan droppen och luften. Vi ser att en liten koncentration av en ytaktiv förorening dramatiskt kan öka hastigheten för droppbildning. Eftersom yt- aktiva arter som svavelsyra och ammoniak kan förekomma i låga koncentrationer under bildandet av regndroppar, detta kommer sannolikt att vara viktig input till väderprognoser och klimatmodeller."

Med hänsyn till kurvatur

Klassisk kärnbildningsteori misslyckas spektakulärt när ytaktiva föroreningar är närvarande. Till exempel, om vattendroppar bildas i närvaro av alkoholer, förutsägelser om hastigheten med vilken droppar bildas kan minska med mer än en faktor 20. Faktum är att den klassiska teorin förutspår att det bildas 10^20 (10 följt av 19 nollor) färre droppar än vad forskare faktiskt kan mäta i experiment. För att sätta denna siffra i sitt sammanhang, antalet stjärnor i Vintergatan är cirka 10^11 (10 följt av 19 nollor) – en miljard gånger lägre.

Förutom att vara grovt felaktig, den klassiska teorin gör förutsägelser som är fysiskt omöjliga. I vissa fall, som för vatten-etanol, den förutspår att det finns ett negativt antal vattenmolekyler i droppen, vilket naturligtvis är omöjligt.

Hypotesen bakom Aasens forskning var att dessa diskrepanser härrör från ett antagande i teorin, som anser att kärnan är sfärisk men har samma ytspänning som en helt plan yta.

En del av problemet här är att det är mycket svårt att uppskatta hur ytspänningen beter sig under kärnbildning, så den klassiska teorin inkluderar antagandet att ytspänningen i en droppe är densamma som på en plan yta, vilket förenklar beräkningar, Ailo förklarar.

De små kärnorna som bildas i atmosfären är bara några nanometer breda och mycket krökta. Att anta att kärnorna har samma ytspänning som en helt plan yta är en stor anledning till att den klassiska teorin inte alltid fungerar.

Ailo och hans kollegor använde en sofistikerad modell för droppytan, i kombination med en exakt termodynamisk modell för vätskan och ångan, att förbättra den klassiska teorin.

Genom att korrekt inkludera en mer exakt representation av ytspänningen i teorin som förklarar hur böjd droppen är, de kunde förena de teoretiska förutsägelserna om kärnbildningshastigheter med de som faktiskt observerades i experiment, minska avvikelsen från mer än 20 till mindre än två storleksordningar. Det konstiga, fysiskt omöjliga förutsägelser som ibland gjorts av den klassiska kärnbildningsteorin försvann också.

Aasen handledes av Øivind Wilhelmsen vid SINTEF, vars arbete 2016 med gränssnitt mellan ånga och vätska utgjorde grunden för den nya forskningen. Han tror att den djupare förståelsen av droppbildning och en procedur för att modellera den kan ge fördelar långt bortom klimatvetenskapen:"Denna teori och ramverk har potential att förbättra beskrivningen och förståelsen av så många fenomen under de kommande åren, från industriella processer till ."