Neredeyse her yerde bulunan su damlacıkları nasıl oluşur? Damlacık oluşumunun arkasındaki ilke basit değil
Su damlacıkları ve kabarcıklar, demlenmiş kahveden karmaşık endüstriyel süreçlere ve hatta volkanik patlamalara kadar neredeyse her yerde. Norveç Bilim ve Teknoloji Üniversitesi ve Norveç Ulusal Normal Üniversitesi tarafından yapılan yeni araştırma, bu kabarcıkların ve damlacıkların nasıl oluştuğuna dair anlayışımızı geliştirdi ve bu da iklim değişikliğini simüle etme yeteneğini geliştirebilir. Kontrollü bir laboratuar ortamında saf suda damlacık oluşumunu anlamak yeterince zordur, ancak atmosferde diğer birçok maddenin varlığında damlacıklar oluşur. Azot, oksijen ve argon gibi bazılarının su ile çok az etkileşimi vardır ve açıklanması kolaydır.
Kaos, yüzey aktif maddelerden, damlacıkların yüzeyinde kalmayı seven maddelerden kaynaklanır. Sert bir yüzeyde su damlacıkları gördüyseniz, suyun yüzey gerilimini işte göreceksiniz. Su molekülleri birbirlerini havadaki moleküllerden daha fazla çekerek, birbirlerine olabildiğince yakın yapışmalarına ve su damlacıklarının bir kubbe oluşturmalarına neden olur. Bir yüzey aktif maddeye örnek, bira, şarap, şampanya ve diğer alkollü içeceklerde bulunan etanoldur. Bir damla şampanya içinde etanol molekülleri yüzeyde birikerek yüzey gerilimini büyük ölçüde azaltır.
Klasik teorinin kusurları
Norveç Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nde araştırmacı olan Ailo Aasen, safsızlıkların varlığında çekirdeklenmeye odaklanıyor Fiziksel İnceleme Mektupları dergisinde yayınlanan yeni araştırma sonuçları, özellikle atmosfer bilimi ve iklim modelleri olmak üzere farklı endüstriyel süreçlerle ilgilidir. Atmosferde su damlaları oluşmadan önce, su molekülleri arasında su damlalarının tohumlarını veya "çekirdeğini" oluşturmaya yetecek kadar rastgele çarpışmalar olması gerekir. Küçük, nano boyutlu su damlacıkları kritik çekirdek olarak adlandırılır ve oluşumlarına çekirdeklenme denir. Bu nano boyutlu damlacıklar genellikle toz parçacıkları etrafında oluşur ve yüzeyde aktif kirlilikler damlacıkların yüzeyinde birikir. Yeterince büyük bir damlacık oluştuğunda, kendiliğinden büyür.
Çekirdeklenme teorisinin ana hedeflerinden biri, bu anahtar "damla tohumun" doğasını anlamaktır. Yağmur damlalarında iki tür su molekülü vardır: su damlacıklarının içindeki su molekülleri ve su damlacıklarının yüzeyindeki su molekülleri. Su damlacığı yuvarlaktır, bu nedenle yüzeyde, damlacığın içindeki bitişik moleküllerden daha az su molekülü vardır. Damlacık ne kadar küçükse, yüzeydeki moleküllerinin oranı o kadar büyük olur. Damlacık çekirdeğinin büyümesini sürdürmesi için kritik bir boyuta ulaşması gerekir, çünkü damlacık dışındaki az sayıda molekülden dolayı yüzey geriliminin üstesinden gelmesi gerekir. Yüzey gerilimi ne kadar düşükse damlacıklar oluşturmak o kadar kolay olur.
Kirliliklerin büyük bir etkisi olabileceği yer burasıdır: yüzey aktif maddeler, su damlacıkları ile hava arasındaki yüzey gerilimini azaltır. Küçük bir yüzey aktif safsızlık konsantrasyonunun, su damlacıklarının oluşum oranını büyük ölçüde artırabildiği görülebilir. Yağmur damlası oluşumu sırasında sülfürik asit ve amonyak gibi yüzey aktif maddeler düşük konsantrasyonlarda bulunabileceğinden, bu hava tahminleri ve iklim modelleri için önemli bir girdi parametresi olabilir. Yüzey aktif safsızlıklar mevcut olduğunda, klasik çekirdeklenme teorisi ciddi şekilde geçersiz olacaktır.
Eğrilik faktörünü düşünün
Su damlacıkları alkol varlığında oluşursa, su damlası oluşum hızının tahmini 20 kattan fazla sapma gösterebilir. Aslında, klasik teori, su damlacıklarının oluşumunun, araştırmacıların deneyde gerçekte ölçtüğünden 10 ^ 20 kat daha az olduğunu öngörür. Bu sayıyı bağlam içine alırsak, Samanyolu'ndaki yıldız sayısı bu rakamın yaklaşık 10 ^ 11-1 milyar katıdır. Klasik teori, aşırı derecede yanlış olmasının yanı sıra, fiziksel olarak imkansız tahminler de yapar. Su-etanol gibi bazı durumlarda, damlacıktaki su molekülü sayısının negatif olduğunu öngörür ki bu elbette imkansızdır.
Aasen'in araştırmasının arkasındaki hipotez, bu farklılıkların, çekirdeğin küresel olduğu ancak tamamen düz bir yüzeyle aynı yüzey gerilimine sahip olduğu teorisindeki bir varsayımdan kaynaklandığıdır. Buradaki problemin bir kısmı, çekirdeklenme sırasında yüzey geriliminin davranışını tahmin etmenin zor olmasıdır, bu nedenle klasik teori, damlacıktaki yüzey geriliminin bulunan düzlemle aynı olduğu varsayımını içerir ve bu da hesaplamayı basitleştirir. Atmosferde oluşan küçük damlacık çekirdekleri yalnızca birkaç nanometre genişliğinde ve oldukça kavislidir. Çekirdekleşmenin yüzey geriliminin tamamen düz bir yüzeyinki ile aynı olduğunu varsayarsak, klasik teorinin her zaman geçerli olmamasının ana nedeni budur.
Araştırma, klasik teoriyi geliştirmek için damlacık yüzeyinin karmaşık bir modelinin yanı sıra sıvı ve buharın hassas termodinamik modellerini kullandı. Damlacık eğriliğinin derecesini açıklayan teoriye daha doğru bir yüzey gerilimi gösterimini uygun şekilde dahil ederek, çekirdeklenme oranının teorik tahmini, deneyde gerçekte gözlemlenen sonuçlarla tutarlı olabilir ve sapma 20'den fazla büyüklük mertebesinden azaltılabilir. İki kat büyüklüğe. Klasik çekirdeklenme teorisi bazen garip ve fiziksel olarak imkansız tahminler yapar ve ortadan kaybolur.
Damlacık oluşumu ve modelleme prosedürlerinin daha derin bir şekilde anlaşılması, iklim biliminin çok ötesinde faydalar sağlayabilir: Bu teori ve çerçeve, önümüzdeki yıllarda pek çok olgunun tanımını ve anlaşılmasını geliştirme potansiyeline sahiptir.
Brocade | Araştırma / Gönderen: Norveç Bilim ve Teknoloji Üniversitesi
Referans Dergisi "Physics Review Letters"
Brocade Park Bilim, Teknoloji, Bilimsel Araştırma, Popüler Bilim
Takip edin Bokeyuan Daha fazlasını görün Damei Universe Science
