Een dag op het strand geteisterd door zware wolken, of de kleverige hitte van een zoute waas kan het werk lijken van grote, onvoorspelbare krachten. Maar achter zulke atmosferische verschijnselen gaan miljarden kleine interacties tussen de lucht en microscopisch kleine druppels zout water schuil die omhoog worden geworpen terwijl bellen op het oppervlak van de oceaan uiteenspatten.

Onderzoek onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordeling Vloeistoffen beschrijft nu de "straalsnelheid" van deze druppels, of spuitbussen, zoals ze voorkomen in vloeistoffen zoals zeewater en mousserende wijn. De onderzoekers creëerden een model voor het voorspellen van de snelheid en hoogte van jet-aerosolen geproduceerd door bellen van 20 micron tot enkele millimeters groot, en in vloeistoffen zo stroperig als water, of tot tien keer meer viskeuze.

De "straal" verwijst naar de vloeistof die omhoog spuit nadat een bel is gebarsten. Zodra de koepelachtige film van de bel is verdwenen, de kleine holte die de bel onder het oppervlak heeft gecreëerd, haast zich om te sluiten. De bodem van de holte stijgt snel als de zijkanten ervan naar beneden zakken. Wanneer deze krachten elkaar ontmoeten, ze lanceren een waterstraal in de lucht die druppeltjes bevat die in grootte variëren van één tot 100 micron. Een micron is een miljoenste van een meter; een mensenhaar heeft een diameter van ongeveer 100 micron.

Druppels van uiteenspattende bellen zijn het belangrijkste middel waarmee aërosolen worden geproduceerd boven de open oceaan, zei eerste auteur Luc Deike, een universitair docent werktuigbouwkunde en ruimtevaarttechniek aan de Princeton University en het Princeton Environmental Institute (PEI). Het kennen van de snelheid en hoogte waarmee spuitbussen in de lucht worden gegooid, kan worden gebruikt voor nauwkeurigere klimaatmodellering of het creëren van een perfect glas champagne.

"We hebben een model dat de straalsnelheid in veel soorten vloeistoffen beschrijft, "Deik zei, wiens PEI Urban Grand Challenges-project, "Extreme golfbrekingen in stedelijke kustgebieden, " ondersteunde het onderzoek. "Als u de vloeistof kent die u overweegt en de grootte van de eerste bel, we kunnen je de grootte van de jet en de snelheid ervan vertellen."

in zeewater, aerosolen transporteren vocht, zout, en zelfs gifstoffen zoals algen van de oceaan naar de lucht, zei Deik. De onderzoekers ontdekten dat deze bitsy bundels van elementen en organismen omhoog kunnen vliegen met snelheden tot 50 meter per seconde (111 mijl per uur), waar ze naar de atmosfeer kunnen worden getransporteerd.

"Deze kleine druppels schieten omhoog met een snelheid die ze hoog in de atmosfeer plaatst. Dit gebeurt zodra je bellen in zeewater hebt, en je hebt bubbels zodra je golven hebt. Het gebeurt de hele tijd, " zei Deik, die lucht-zee-interacties en de dynamiek van brekende golven bestudeert.

"Ik bekijk dit proces om een ​​betere verklaring te geven voor aerosolen van zeespray die kunnen worden gebruikt om atmosferische modellen te voeden, "Zei Deike. "Het idee is om iets fysieks en nauwkeuriger te hebben. Dit is iets op kleine schaal dat grootschalige atmosferische processen beïnvloedt, zoals wolkenvorming en stralingsbalans. Als je een schadelijk biologisch middel op het water hebt dat gifstoffen afgeeft, die gifstoffen kunnen deel gaan uitmaken van de atmosfeer."

Deike en zijn co-auteurs gebruikten experimentele resultaten - gebaseerd op water en glycerine gemengd met water - en numerieke voorspellingen om hun model te maken. De onderzoekers ontdekten dat viscositeit alles is - op een bepaald punt, een vloeistof, zoals honing, wordt zo dik dat er geen aerosolen meer worden geproduceerd. Tegelijkertijd, de "sweet spot" in termen van bellengrootte in water is ongeveer 20 micron. Bellen kleiner dan 10 micron of meer dan vier millimeter produceren geen jet-aerosolen nadat ze barsten.

Co-auteur Gérard Liger-Belair, Universitair hoogleraar chemische fysica aan de Universiteit van Reims Champagne-Ardenne, die opgeloste gassen en bellendynamiek in champagne en mousserende wijn bestudeert, zei dat het werk van de onderzoekers van toepassing is op tal van gebieden van wetenschappelijk en economisch belang.

"Dit artikel laat zien dat het fijne samenspel tussen bellengrootte en verschillende vloeistofparameters - voornamelijk de viscositeit, dichtheid en oppervlaktespanning - heeft invloed op de aerosol die wordt geproduceerd door een barstende bel, " zei Liger-Belair, die het boek uit 2013 schreef, "Uncorked:The Science of Champagne", uitgegeven door Princeton University Press. "Dit papier is inderdaad universeel, en de conclusies kunnen van toepassing zijn op de zeespray die in oceanen wordt geproduceerd of de aerosolen die boven een glas mousserende wijn worden geproduceerd."

In wijn - die ongeveer twee keer zo stroperig is als water - transporteert de eerste (en grootste) druppel die wordt uitgestoten het wijnaroma boven de rand van een glas en naar de neus van de consument, aldus Liger-Belair. Voor de miljardenindustrie die hij bestudeert, het maximaliseren van deze druppel is een prioriteit. Dit gepubliceerde werk kan worden gebruikt om de glasgeometrie te veranderen, niveaus van opgeloste koolstofdioxide, of zelfs wijnviscositeit - wat een consument niet zou merken - om de belgrootte te vergroten, snelheid en, dus, de "aroma-ervaring, " hij zei.

"In staat zijn om de beste parameters van het glas en de mousserende wijn te voorspellen in termen van aromaafgifte door de werking van barstende bubbels is inderdaad een belangrijke vooruitgang, "Liger-Belair zei. "De champagne-industrie zou kunnen profiteren van de resultaten van dit artikel, die, Voor de eerste keer, presenteert een gedetailleerde beschrijving van de straalsnelheid gevormd door het barsten van bellen voor een breed scala aan fysieke parameters."

De volgende stappen van de onderzoekers zijn het specificeren van de grootte van de aerosolen en het kwantificeren van het aantal vrijgekomen druppels, zei Deik.

"Dit stuk werk vertelt je de snelheid en projectie van aërosolen, maar we zijn bezig met hoeveel druppels er eigenlijk zijn, "Zei Deike. "Het lijkt misschien alsof er te veel zijn om te tellen, maar we moeten ze nog tellen."