Una giornata in spiaggia assediata da nuvole pesanti, o il calore appiccicoso di una foschia salata può sembrare il lavoro di un grande, forze imprevedibili. Ma dietro tali fenomeni atmosferici ci sono miliardi di minuscole interazioni tra l'aria e microscopiche gocce di acqua salata lanciate verso l'alto mentre scoppiano le bolle sulla superficie dell'oceano.

Ricerca recentemente pubblicata sulla rivista Fluidi per la revisione fisica ora descrive la "velocità del getto" di queste goccioline, o aerosol, come si trovano in liquidi come acqua di mare e spumante. I ricercatori hanno creato un modello per prevedere la velocità e l'altezza degli aerosol a getto prodotti da bolle di dimensioni comprese tra 20 micron e diversi millimetri, e in liquidi viscosi come l'acqua, o fino a dieci volte più viscoso.

Il "getto" si riferisce al liquido che sgorga dopo lo scoppio di una bolla. Una volta che il film a cupola della bolla è sparito, la piccola cavità che la bolla ha creato sotto la superficie si precipita a chiudersi. Il fondo della cavità si alza rapidamente mentre i suoi lati collassano verso il basso. Quando queste forze si incontrano, lanciano nell'aria un getto d'acqua che contiene goccioline di dimensioni variabili da uno a 100 micron. Un micron è un milionesimo di metro; un capello umano ha un diametro di circa 100 micron.

Le goccioline di bolle che scoppiano sono il mezzo principale con cui gli aerosol vengono prodotti al di sopra dell'oceano aperto, ha detto il primo autore Luc Deike, un assistente professore di ingegneria meccanica e aerospaziale della Princeton University e il Princeton Environmental Institute (PEI). Conoscere la velocità e l'altezza con cui gli aerosol vengono lanciati nell'aria può essere utilizzata per modelli climatici più accurati o per creare un bicchiere di champagne perfetto.

"Abbiamo un modello che descrive la velocità del getto in molti tipi di liquidi, "Deike ha detto, il cui progetto PEI Urban Grand Challenges, "Rottura di onde estreme nelle aree urbane costiere, " ha sostenuto la ricerca. "Se conosci il liquido che stai considerando e le dimensioni della bolla iniziale, possiamo dirvi le dimensioni del getto e la sua velocità."

Nell'acqua di mare, gli aerosol trasferiscono l'umidità, sale, e persino tossine come le alghe dall'oceano all'aria, ha detto Deike. I ricercatori hanno scoperto che questi piccoli fasci di elementi e organismi possono librarsi verso l'alto a velocità di 50 metri al secondo (111 miglia all'ora) dove possono essere trasportati nell'atmosfera.

"Queste piccole gocce si sollevano con una velocità che le porta in alto nell'atmosfera. Questo accade non appena si formano delle bolle nell'acqua di mare, e hai le bolle non appena hai le onde. Succede tutto il tempo, " disse Deike, che studia le interazioni aria-mare e la dinamica delle onde che si infrangono.

"Sto esaminando questo processo per fornire una migliore spiegazione degli aerosol marini che possono essere utilizzati per alimentare i modelli atmosferici, "Deike ha detto. "L'idea è di avere qualcosa che è più fisico e più preciso. Questo è qualcosa su piccola scala che influenza i processi atmosferici su larga scala, come la formazione di nubi e l'equilibrio radiativo. Se hai un agente biologico dannoso nell'acqua che rilascia tossine, quelle tossine possono diventare parte dell'atmosfera."

Deike e i suoi coautori hanno utilizzato risultati sperimentali, basati su acqua e glicerina mescolati con acqua, e previsioni numeriche per creare il loro modello. I ricercatori hanno scoperto che la viscosità è tutto:a un certo punto, un liquido, come il miele, diventa così denso che gli aerosol non vengono più prodotti. Allo stesso tempo, lo "sweet spot" in termini di dimensione delle bolle in acqua è di circa 20 micron. Le bolle inferiori a 10 micron o superiori a quattro millimetri non producono aerosol a getto dopo lo scoppio.

Co-autore Gérard Liger-Belair, Professore universitario di fisica chimica presso l'Università di Reims Champagne-Ardenne, che studia i gas disciolti e la dinamica delle bolle nello champagne e nello spumante, ha affermato che il lavoro dei ricercatori si applica a numerose aree di interesse scientifico ed economico.

"Questo articolo mostra che la sottile interazione tra le dimensioni delle bolle e i vari parametri del liquido, principalmente la sua viscosità, densità e tensione superficiale:ha un impatto sull'aerosol prodotto da una bolla che scoppia, " disse Liger-Belair, che ha scritto il libro del 2013, "Uncorked:The Science of Champagne" pubblicato dalla Princeton University Press. "Questo documento è davvero universale, e le conclusioni possono applicarsi agli spray marini prodotti negli oceani o agli aerosol prodotti sopra un bicchiere di spumante".

Nel vino, che è circa due volte più viscoso dell'acqua, la prima (e più grande) gocciolina espulsa trasporta l'aroma del vino sopra il bordo del bicchiere e fino al naso del consumatore, Liger-Belair ha detto. Per l'industria miliardaria che studia, massimizzare questa goccia è una priorità. Questo lavoro pubblicato potrebbe essere utilizzato per alterare la geometria del vetro, livelli di anidride carbonica disciolta, o anche la viscosità del vino, cosa che un consumatore non noterebbe, per aumentare le dimensioni delle bolle, velocità e, così, l'"esperienza aromatica, " Egli ha detto.

"Riuscire a prevedere i migliori parametri del bicchiere e dello spumante in termini di rilascio di aromi attraverso l'azione dello scoppio delle bollicine è infatti un progresso significativo, " Liger-Belair ha detto. "L'industria dello champagne potrebbe trarre vantaggio dai risultati di questo documento, quale, per la prima volta, presenta una descrizione dettagliata della velocità del getto formata dallo scoppio di bolle per un'ampia gamma di parametri fisici."

I prossimi passi dei ricercatori sono specificare la dimensione degli aerosol e quantificare il numero di goccioline rilasciate, ha detto Deike.

"Questo lavoro ti dice la velocità e la proiezione degli aerosol, ma stiamo lavorando su quante goccioline ci sono effettivamente, " Disse Deike. "Può sembrare che ce ne siano troppi da contare, ma dobbiamo ancora contarli".