Дождь привел к образованию новых грозовых облаков
Падающие капли дождя или града оказались способны приводить к гомогенной нуклеации в насыщенном паре, формированию новых капель и образованию облаков. Международный коллектив ученых изучил этот механизм экспериментально на модельной системе из гексафторида серы и гелия. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.
Одним из важных процессов при формировании облаков является нуклеация — образование капель жидкости из насыщенного пара. Это может происходить по гомогенному механизму при конденсации жидкости непосредственно из перенасыщенного пара или по гетерогенному механизму — при введении в перенасыщенный пар дополнительных центров конденсации.
Процессы, происходящие при образовании облаков, определяют их свойства и форму, часто довольно необычную. Для описания явлений, которые происходят в облаках при ливнях, было предложено достаточно много различных моделей как с учетом введения центров конденсации, так и без них. Однако и теоретическое, и экспериментальное исследование в лабораторных условиях таких процессов весьма затруднительно из-за того, что происходят они в многофазной и сильно неравновесной системе, включающей в себя насыщенный пар жидкости, жидкие капли и ледяные частички — и все это в турбулентных потоках инертной газовой среды.
В своем новом исследовании международная группа ученых из Германии, Франции и США изучила, что происходит в грозовых облаках во время дождя, проведя эксперимент в упрощенной модельной системе. В качестве жидкой испаряющейся фазы физики использовали гексафторид серы SF6, а в качестве сухого газового компонента — гелий. Такая многофазная многокомпонентная система была помещена в небольшую ячейку, температура верхней и нижней стенок которой контролировалась.
В нижней части ячейки гексафторид серы находился в жидком состоянии. При этом дно ячейки нагревалось так, чтобы над жидкостью все время находился насыщенный пар. Верхняя стенка ячейки, наоборот, охлаждалась, что приводило к конденсации на ней жидкости, которая затем падала вниз в виде отдельных капель. За процессом падения этих капель ученые наблюдали с помощью высокоскоростной камеры.
Изучив видео, ученые обнаружили, что падение капли миллиметрового размера приводит к образованию в следе за ней более маленьких микрокапелек. При этом физики специально отмечают, что капля погружалась в жидкость без видимого всплеска и образование микрокапель происходило непосредственно из насыщенного пара.
Для объяснения результатов эксперимента ученые выдвинули гипотезу, что падение капли приводит к образованию за ней области изобарного охлаждения. Пар гексафторида серы в этой области становится перенасыщенным, и это приводит к гомогенной нуклеации и формированию в ней аэрозоля из новых микрокапель. Для подтверждения своей гипотезы ученые привели количественные оценки, которые подтвердили предложенный механизм.
По утверждению ученых, такие же процессы происходят и в грозовых облаках при падении капель дождя или града. Кроме того, в своем эксперименте исследователи обнаружили образование устойчивой горизонтальной поверхности, которая разделяет в системе зоны ненасыщенного и перенасыщенного пара жидкости. Зона ненасыщенного газа формируется около поверхности, а зона с большим количеством микрокапелек — в верхней части системы. Фактически, образовавшийся слой является уменьшенной моделью сформированного облака.
Несмотря на то, что все больше процессов, протекающих в грозовых облаках, удается объяснить, в них, как и в других сильно неравновесных системах, остается много непонятного. Например, из-за чего грозовые облака способны накапливать в себе античастицы.
Это показали эксперименты с газированными напитками
Американские и французские физики разобрались в причинах, по которым всплывающие в газированном напитке пузыри выстраиваются или не выстраиваются в ровные цепочки. Для этого они проводили эксперименты с дегазированными напитками (газировкой, пивом, игристым вином и шампанским) и модельными жидкостями. В результате ученые выяснили, что на этот эффект влияет размер пузырей и характеристики и количество поверхностно-активных веществ в напитке. Исследование опубликовано в Physical Review Fluids. Всплытие пузырей в жидкости — это неотъемлемая часть множества процессов в природе и технологиях, начиная от просачивания газов из-под океанского дна и заканчивая очисткой сточных вод с помощью насыщения ее кислородом в аэротенках. Важную роль пузыри играют и в производстве газированных напитков: мы уже рассказывали об их роли в восприятии вкуса пива и шампанского. В случае с шампанским всплытие пузырьков играет еще и важную эстетическую роль: они поднимаются в виде почти вертикальных цепочек с постоянным интервалом. Вместе с тем, такое поведение встречается не во всех напитках. Теоретики лишь недавно смогли объяснить причину противоположного поведения: всплытия по зигзагообразным или спиральным траекториям. Причины же возникновения ровных цепочек физикам пока до конца не ясны, равно как и условия, при которых разные режимы всплытия сменяют друг друга. Ответить на эти вопросы взялась команда американских и французских физиков под руководством Роберто Зенита (Roberto Zenit) из Университета Брауна. Им удалось экспериментально и теоретически выяснить, что на формирование стабильных пузырьковых цепочек оказывает влияние два фактора: их размер и наличие в жидкости поверхностно-активных веществ (ПАВ). В случае с напитками последний фактор оказывается решающим — он определяет разницу во всплытии пузырьков между газированной водой и шампанским. Физики проводили опыты в плексигласовом прямоугольном бассейне размером 50 × 50 × 400 миллиметров. На дно бассейна ученые устанавливали иглы различного диаметра закругления, через которые подавали воздух и получали пузырьки разного размера. Контроль подачи воздуха, в свою очередь, регулировал частоту их образования и, как следствие, межпузырьковое расстояние. Исследователи наполняли установку жидкостями, предварительно дегазированными в условиях вакуума: газированной водой, светлым пивом, игристым вином и шампанским. Кроме того, в качестве модельной жидкости они использовали смеси дистиллированной воды и глицерина в различных пропорциях. Эксперименты сопровождались численным моделированием с помощью уравнений Навье — Стокса. Главный результат, полученный физиками, заключается в том, что стабильность цепочки устанавливается при размерах пузырей или количестве ПАВ, выраженного через число Ленгмюра, выше некоторых порогов, а до того они расходятся в пределах конуса. Симуляции показали, что пузырьки нужных размеров могут двигаться прямолинейно только в том случае, если на их поверхности создается достаточная завихренность — тогда подъемная сила, действующая на нижний пузырь под влиянием верхнего, меняет знак и вталкивает его следом. На это, в свою очередь, влияет химический состав напитков: если в пиве ПАВ — это тяжелые белки, то в шампанском эту роль играют более легкие жирные кислоты. Полученные результаты, помимо применения в производстве алкоголя, можно использовать для оценки уровня загрязнения ПАВ практически в любой жидкости. Группу Зенита давно интересуют пузырьки в алкоголе. Ранее мы рассказывали, как физики научно обосновали традиционный способ определения концентрации этанола при перегонке мескаля по времени жизни пузырьков.