Goccioline e bolle si formano quasi ovunque, dal far bollire il nostro caffè mattutino, a complessi processi industriali e persino eruzioni vulcaniche. Nuova ricerca di SINTEF e NTNU in Norvegia, migliora la nostra comprensione di come si formano queste bolle e goccioline. Questo potrebbe migliorare la nostra capacità di modellare il cambiamento climatico.

Comprendere la formazione di goccioline in acqua pura in un ambiente di laboratorio controllato è abbastanza impegnativo, ma nell'atmosfera, le goccioline si formano in presenza di molte altre sostanze.

Alcuni di quelli, come l'azoto, ossigeno e argon, non interagiscono molto con l'acqua e sono facili da spiegare. Le complicazioni derivano da specie tensioattive, vale a dire sostanze che preferiscono rimanere sulla superficie della gocciolina.

Hai visto la tensione superficiale dell'acqua in azione se hai mai visto una goccia d'acqua su una superficie dura. Le molecole d'acqua sono più attratte l'una dall'altra che dalle molecole nell'aria, facendoli aderire il più saldamente possibile, facendo in modo che la goccia formi una cupola.

Un esempio di specie tensioattiva è l'etanolo, che si trova nella birra, vino, champagne e altre bevande alcoliche. In una goccia di champagne, le molecole di etanolo si accumulano in superficie e ne abbassano drasticamente la tensione superficiale.

Il ricercatore SINTEF Ailo Aasen, che ha recentemente completato il suo dottorato di ricerca. a NTNU, in parte concentrato sulla nucleazione in presenza di impurezze. I risultati, recentemente pubblicato sulla prestigiosa rivista Lettere di revisione fisica , sono rilevanti per diversi processi industriali, ma soprattutto per la scienza atmosferica e i modelli climatici.

Le carenze della teoria classica

Prima che una goccia d'acqua possa formarsi nell'atmosfera, devono verificarsi abbastanza collisioni casuali tra le molecole d'acqua per formare un seme, o "nucleo, " per la gocciolina. Il minuscolo, una goccia d'acqua di dimensioni nanometriche è chiamata nucleo critico, e la sua formazione è nota come nucleazione. Queste goccioline nanometriche si formano tipicamente intorno alle particelle di polvere, e le impurità tensioattive si accumulano sulla superficie della gocciolina. Dopo che si è formata una goccia abbastanza grande, crescerà spontaneamente.

"Uno degli obiettivi principali della teoria della nucleazione è comprendere le proprietà di questo critico "seme di goccioline". le molecole d'acqua sono di due tipi:quelle all'interno della gocciolina, e quelli in superficie, "dice Ailo.

Una goccia è rotonda, in modo che le molecole d'acqua sulla superficie abbiano meno vicini di quelle all'interno della gocciolina. Più piccola è una goccia, maggiore è la porzione delle sue molecole nello strato superficiale.

Il nucleo deve raggiungere una dimensione critica per continuare a crescere, perché deve vincere la tensione superficiale che risulta dal minor numero di molecole all'esterno della goccia. Minore è la tensione superficiale, più è facile che la goccia si formi. Secondo Ailo, è qui che le impurità possono fare una grande differenza:"Le specie tensioattive riducono la tensione superficiale tra la gocciolina e l'aria. Vediamo che una concentrazione minima di impurità tensioattive può aumentare drasticamente il tasso di formazione delle gocce. Poiché specie attive come l'acido solforico e l'ammoniaca possono essere presenti in basse concentrazioni durante la formazione delle gocce di pioggia, questo è probabilmente un input importante per le previsioni meteorologiche e i modelli climatici".

Tenendo conto della curvatura

La teoria della nucleazione classica fallisce in modo spettacolare quando sono presenti impurità tensioattive. Per esempio, se si formano gocce d'acqua in presenza di alcoli, le previsioni della velocità con cui si formano le goccioline possono variare di oltre un fattore 20. Infatti, la teoria classica prevede che si formino 10^20 (10 seguiti da 19 zeri) in meno di goccioline di quelle che i ricercatori possono effettivamente misurare negli esperimenti. Per contestualizzare questo numero, il numero di stelle nella Via Lattea è di circa 10^11 (10 seguiti da 19 zeri) – un miliardo di volte inferiore.

Oltre ad essere gravemente impreciso, la teoria classica fa previsioni che sono fisicamente impossibili. In alcuni casi, come per l'acqua-etanolo, predice che c'è un numero negativo di molecole d'acqua nella gocciolina, che ovviamente è impossibile.

L'ipotesi alla base della ricerca di Aasen era che queste discrepanze derivassero da un presupposto della teoria, che considera il nucleo sferico ma avente la stessa tensione superficiale di una superficie completamente piana.

Parte del problema qui è che è molto difficile stimare come si comporta la tensione superficiale durante la nucleazione, quindi la teoria classica include l'assunzione che la tensione superficiale in una goccia è la stessa che si trova su una superficie piana, che semplifica i calcoli, Ailo spiega.

I minuscoli nuclei formati nell'atmosfera sono larghi solo pochi nanometri e sono molto curvi. Supporre che i nuclei abbiano la stessa tensione superficiale di una superficie completamente piana è una delle ragioni principali per cui la teoria classica non sempre funziona.

Ailo e i suoi colleghi hanno utilizzato un modello sofisticato per la superficie delle gocce, accoppiato con un accurato modello termodinamico per il liquido e il vapore, per migliorare la teoria classica.

Includendo correttamente una rappresentazione più accurata della tensione superficiale nella teoria che spiega quanto sia curva la gocciolina, sono stati in grado di conciliare le previsioni teoriche dei tassi di nucleazione con quelle effettivamente osservate negli esperimenti, riducendo la discrepanza da più di 20 a meno di due ordini di grandezza. Lo strano, anche le previsioni fisicamente impossibili fatte a volte dalla teoria della nucleazione classica sono scomparse.

Aasen è stato supervisionato da Øivind Wilhelmsen presso SINTEF, il cui lavoro del 2016 sulle interfacce vapore-liquido ha fornito la base per la nuova ricerca. Crede che la comprensione più profonda della formazione delle goccioline e una procedura per modellarla possano portare benefici ben oltre la scienza del clima:"Questa teoria e questa struttura hanno il potenziale per migliorare la descrizione e la comprensione di così tanti fenomeni negli anni a venire, dai processi industriali a ."