几乎无处不在的水滴，是如何形成的？液滴形成背后的原理可不简单

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水滴和气泡几乎无处不在，从煮的咖啡，到复杂的工业过程，甚至火山喷发。挪威科技大学和挪威国立师范大学的新研究，提高了我们对这些气泡和液滴如何形成的理解，这可以提高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，是足够具有挑战性的，但在大气中，液滴是在许多其他物质存在的情况下形成。它们中的一些，如氮、氧和氩，与水的相互作用不大，很容易解释。


混乱产生于表面活性物质，即喜欢停留在液滴表面的物质。如果你见过硬表面上的水珠，你就会看到水的表面张力在起作用。水分子更多地相互吸引，而不是与空气中的分子吸引，导致它们尽可能紧密地粘在一起，导致水滴形成圆顶。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，乙醇分子堆积在表面，极大地降低了其表面张力。
经典理论的缺陷
挪威科技大学研究员Ailo Aasen专注于杂质存在下的成核，他新发表在《物理评论快报》期刊上的研究结果与不同的工业过程有关，特别是大气科学和气候模型。在大气中形成水滴之前，水分子之间必须发生足够的随机碰撞，才能形成水滴的种子或“核”。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。这些纳米尺寸的液滴通常在尘埃颗粒周围形成，表面活性杂质堆积在液滴表面。当一个足够大的液滴形成后，它会自发生长。


成核理论的一个主要目标是了解这种关键‘水滴种子’的性质，在雨滴中，水分子有两种类型：水滴内部的水分子和水滴表面的水分子。水滴是圆形的，因此表面的水分子，比液滴内部的分子邻接分子少，液滴越小，其分子在表层的比例就越大。液滴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较少而产生的表面张力。表面张力越小，液滴越容易形成。


这是杂质可以产生很大影响的地方：表面活性物质降低了水滴和空气之间的表面张力。可以看到，微小浓度的表面活性杂质，可以极大地提高水滴的形成速度。由于表面活性物质，如硫酸和氨，可以在雨滴形成期间以低浓度存在，这可能是天气预报和气候模型的重要输入参数。当存在表面活性杂质时，经典成核理论就会严重失效。
考虑曲率因素
如果水滴是在酒精存在的情况下形成，对水滴形成速率的预测可能会偏离20倍以上。事实上，经典理论预测形成的水滴比研究人员在实验中实际测量的要少10^20倍。把这个数字放到上下文中来看，银河系中的恒星数量大约是10^11颗——比这个数字少了10亿倍。除了非常不准确之外，经典理论还做出了物理上不可能的预测。在某些情况下，例如对于水-乙醇，它预测液滴中的水分子数量为负数，这当然是不可能的。


Aasen研究背后的假设是，这些差异源于理论中的一个假设，该假设认为原子核是球形的，但具有与完全平坦的表面相同的表面张力。这里的部分问题是很难估计成核过程中表面张力的行为，所以经典理论包括了液滴中表面张力与发现的平面相同假设，这简化了计算。大气中形成的微小液滴核只有几纳米宽，高度弯曲。假设成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。


研究使用了液滴表面的复杂模型，再加上液体和蒸汽的精确热力学模型，以改进经典理论。通过在解释液滴弯曲程度的理论中，适当地包含更准确的表面张力表示，能够使成核率的理论预测与实验中实际观察到的结果相一致，将偏差从20多个数量级减少到不到两个数量级。经典成核理论有时做出奇怪的、物理上不可能的预测也消失了。


对液滴形成的更深层次理解和对其进行建模的程序，可以带来远远超出气候科学的好处：这个理论和框架有可能在未来几年改善对如此多现象的描述和理解。
博科园｜研究/来自：挪威科技大学
参考期刊《物理评论快报》
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