微小水滴的形成如何对气候模型产生重大影响

时间:2020-04-09 18:41 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

微小水滴的形成如何对气候模型产生重大影响

从早上煮咖啡到复杂的工业过程,甚至火山喷发,几乎到处都有水滴和气泡形成。挪威的SINTEF和NTNU的新研究提高了我们对这些气泡和液滴形成的理解。这可以提高我们模拟气候变化的能力。

在受控的实验室环境中理解纯水中液滴的形成已经足够具有挑战性了,但是在大气中,液滴是在许多其他物质存在的情况下形成的。

其中的一些,如氮、氧和氩,与水的相互作用不大,很容易解释。并发症产生于表面活性物质,即那些喜欢停留在液滴表面的物质。

你们已经看到了水的表面张力的作用如果你们曾经看到过一个水珠在坚硬的表面上。水分子相互间的吸引力大于空气中的分子,这使得它们尽可能紧密地粘在一起,使水滴形成一个圆顶。

表面活性物质的一个例子是乙醇,它存在于啤酒、葡萄酒、香槟和其他酒精饮料中。在一滴香槟中,乙醇分子在表面堆积,并大大降低了它的表面张力。

sintef研究员阿森(Ailo Aasen)最近刚在挪威国立大学(NTNU)获得博士学位,他的部分研究重点是杂质存在时的成核现象。这项研究结果最近发表在著名的《物理评论快报》(Physical Review Letters)杂志上,它与多种工业过程有关,尤其是与大气科学和气候模型有关。

经典理论的缺点

在水滴在大气中形成之前,水分子之间必须发生足够多的随机碰撞,以形成水滴的种子或“核”。这种微小的、纳米大小的水滴被称为临界核,它的形成被称为成核。这些纳米大小的液滴通常围绕尘埃颗粒形成,表面活性杂质堆积在液滴表面。一个足够大的液滴形成后,它会自发地生长。

成核理论的一个主要目标是理解这种临界“液滴种子”的性质。在雨滴中,水分子有两种:一种是在雨滴内部,另一种是在雨滴表面。

水滴是圆的,所以表面的水分子比水滴内部的水分子有更少的邻居。液滴越小,它的分子在表面层中所占的比例就越大。

原子核必须达到临界大小才能继续生长,因为它必须克服由于液滴外部分子数量减少而产生的表面张力。表面张力越小,水滴越容易形成。根据Ailo的说法,这就是杂质可以产生巨大影响的地方:“表面活性物质降低了液滴和空气之间的表面张力。我们发现,表面活性杂质的微小浓度可以显著增加液滴的形成速度。由于在雨滴形成过程中,硫酸和氨等地表活性物质的浓度较低,这可能成为天气预报和气候模型的重要输入。”

考虑曲率

当表面活性杂质存在时,经典的成核理论就彻底失败了。例如,如果水滴是在有醇存在的情况下形成的,那么对水滴形成速率的预测可能相差20倍以上。事实上,经典理论预测,10的20次方(10后面跟19个0)的液滴比研究人员在实验中实际测量到的要少。把这个数字放在背景下,银河系中的恒星数量大约是10的11次方(10后面跟着19个0)——比它低10亿倍。

除了非常不准确之外,经典理论还使得预测在物理上是不可能的。在某些情况下,比如水-乙醇,它预测液滴中有一个负数的水分子,这当然是不可能的。

Aasen的研究背后的假设是,这些差异源于理论中的一个假设,即认为原子核是球形的,但表面张力与一个完全平坦的表面相同。

这里的部分问题是很难估计表面张力在成核过程中的表现,所以经典理论包括了一个假设,即液滴中的表面张力与平面中的表面张力相同,这简化了计算,Ailo解释道。

在大气中形成的微小核只有几纳米宽,而且高度弯曲。假设原子核的表面张力与完全平坦的表面相同,这是经典理论并不总是成立的主要原因。

Ailo和他的同事用一个复杂的液滴表面模型,加上一个精确的液体和蒸汽的热力学模型,来改进经典理论。

通过适当地包括表面张力的更准确表示的理论占液滴的弯曲程度,他们能够调和成核率的理论预测与实际观察到的实验,减少这种差异来自20多个不到两个数量级。经典成核理论有时做出的奇怪的、物理上不可能的预测也消失了。

Aasen被?ivind监督SINTEF的介绍,在2016年的气液界面的新的研究提供了依据。他相信,对液滴形成和建模过程的更深入的理解可以带来的好处远远超出气候科学:“这个理论和框架有潜力在未来几年改善对如此多现象的描述和理解,从工业过程到。”

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