水滴和氣泡幾乎無處不在，從煮的咖啡，到複雜的工業過程，甚至火山噴發。挪威科技大學和挪威國立師範大學的新研究，提高了我們對這些氣泡和液滴如何形成的理解，這可以提高模擬氣候變化的能力。在受控的實驗室環境中理解純水中液滴的形成，是足夠具有挑戰性的，但在大氣中，液滴是在許多其他物質存在的情況下形成。它們中的一些，如氮、氧和氬，與水的相互作用不大，很容易解釋。
混亂產生於表面活性物質，即喜歡停留在液滴表面的物質。如果你見過硬表面上的水珠，你就會看到水的表面張力在起作用。水分子更多地相互吸引，而不是與空氣中的分子吸引，導致它們儘可能緊密地粘在一起，導致水滴形成圓頂。表面活性物質的一個例子是乙醇，它存在於啤酒、葡萄酒、香檳和其他酒精飲料中。在一滴香檳中，乙醇分子堆積在表面，極大地降低了其表面張力。
經典理論的缺陷
挪威科技大學研究員Ailo Aasen專注於雜質存在下的成核，他新發表在《物理評論快報》期刊上的研究結果與不同的工業過程有關，特別是大氣科學和氣候模型。在大氣中形成水滴之前，水分子之間必須發生足夠的隨機碰撞，才能形成水滴的種子或“核”。微小的、納米大小的水滴被稱為臨界核，它的形成被稱為成核。這些納米尺寸的液滴通常在塵埃顆粒周圍形成，表面活性雜質堆積在液滴表面。當一個足夠大的液滴形成後，它會自發生長。
成核理論的一個主要目標是瞭解這種關鍵‘水滴種子’的性質，在雨滴中，水分子有兩種類型：水滴內部的水分子和水滴表面的水分子。水滴是圓形的，因此表面的水分子，比液滴內部的分子鄰接分子少，液滴越小，其分子在表層的比例就越大。液滴核必須達到臨界大小才能繼續生長，因為它必須克服由於液滴外部分子數量較少而產生的表面張力。表面張力越小，液滴越容易形成。
這是雜質可以產生很大影響的地方：表面活性物質降低了水滴和空氣之間的表面張力。可以看到，微小濃度的表面活性雜質，可以極大地提高水滴的形成速度。由於表面活性物質，如硫酸和氨，可以在雨滴形成期間以低濃度存在，這可能是天氣預報和氣候模型的重要輸入參數。當存在表面活性雜質時，經典成核理論就會嚴重失效。
考慮曲率因素
如果水滴是在酒精存在的情況下形成，對水滴形成速率的預測可能會偏離20倍以上。事實上，經典理論預測形成的水滴比研究人員在實驗中實際測量的要少10^20倍。把這個數字放到上下文中來看，銀河系中的恆星數量大約是10^11顆——比這個數字少了10億倍。除了非常不準確之外，經典理論還做出了物理上不可能的預測。在某些情況下，例如對於水-乙醇，它預測液滴中的水分子數量為負數，這當然是不可能的。
Aasen研究背後的假設是，這些差異源於理論中的一個假設，該假設認為原子核是球形的，但具有與完全平坦的表面相同的表面張力。這裡的部分問題是很難估計成核過程中表面張力的行為，所以經典理論包括了液滴中表面張力與發現的平面相同假設，這簡化了計算。大氣中形成的微小液滴核只有幾納米寬，高度彎曲。假設成核的表面張力與完全平坦的表面相同，這是經典理論並不總是成立的主要原因。
研究使用了液滴表面的複雜模型，再加上液體和蒸汽的精確熱力學模型，以改進經典理論。通過在解釋液滴彎曲程度的理論中，適當地包含更準確的表面張力表示，能夠使成核率的理論預測與實驗中實際觀察到的結果相一致，將偏差從20多個數量級減少到不到兩個數量級。經典成核理論有時做出奇怪的、物理上不可能的預測也消失了。
對液滴形成的更深層次理解和對其進行建模的程序，可以帶來遠遠超出氣候科學的好處：這個理論和框架有可能在未來幾年改善對如此多現象的描述和理解。
博科園｜研究/來自：挪威科技大學
參考期刊《物理評論快報》
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