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水滴和氣泡幾乎無處不在，從(cong) 煮的咖啡，到複雜的工業(ye) 過程，甚至火山噴發。挪威科技大學和挪威國立師範大學的新研究，提高了我們(men) 對這些氣泡和液滴如何形成的理解，這可以提高模擬氣候變化的能力。在受控的實驗室環境中理解純水中液滴的形成，是足夠具有挑戰性的，但在大氣中，液滴是在許多其他物質存在的情況下形成。它們(men) 中的一些，如氮、氧和氬，與(yu) 水的相互作用不大，很容易解釋。

混亂(luan) 產(chan) 生於(yu) 表麵活性物質，即喜歡停留在液滴表麵的物質。如果你見過硬表麵上的水珠，你就會(hui) 看到水的表麵張力在起作用。水分子更多地相互吸引，而不是與(yu) 空氣中的分子吸引，導致它們(men) 盡可能緊密地粘在一起，導致水滴形成圓頂。表麵活性物質的一個(ge) 例子是乙醇，它存在於(yu) 啤酒、葡萄酒、香檳和其他酒精飲料中。在一滴香檳中，乙醇分子堆積在表麵，極大地降低了其表麵張力。

經典理論的缺陷

挪威科技大學研究員Ailo Aasen專(zhuan) 注於(yu) 雜質存在下的成核，他新發表在《物理評論快報》期刊上的研究結果與(yu) 不同的工業(ye) 過程有關(guan) ，特別是大氣科學和氣候模型。在大氣中形成水滴之前，水分子之間必須發生足夠的隨機碰撞，才能形成水滴的種子或“核”。微小的、納米大小的水滴被稱為(wei) 臨(lin) 界核，它的形成被稱為(wei) 成核。這些納米尺寸的液滴通常在塵埃顆粒周圍形成，表麵活性雜質堆積在液滴表麵。當一個(ge) 足夠大的液滴形成後，它會(hui) 自發生長。

成核理論的一個(ge) 主要目標是了解這種關(guan) 鍵‘水滴種子’的性質，在雨滴中，水分子有兩(liang) 種類型：水滴內(nei) 部的水分子和水滴表麵的水分子。水滴是圓形的，因此表麵的水分子，比液滴內(nei) 部的分子鄰接分子少，液滴越小，其分子在表層的比例就越大。液滴核必須達到臨(lin) 界大小才能繼續生長，因為(wei) 它必須克服由於(yu) 液滴外部分子數量較少而產(chan) 生的表麵張力。表麵張力越小，液滴越容易形成。

這是雜質可以產(chan) 生很大影響的地方：表麵活性物質降低了水滴和空氣之間的表麵張力。可以看到，微小濃度的表麵活性雜質，可以極大地提高水滴的形成速度。由於(yu) 表麵活性物質，如硫酸和氨，可以在雨滴形成期間以低濃度存在，這可能是天氣預報和氣候模型的重要輸入參數。當存在表麵活性雜質時，經典成核理論就會(hui) 嚴(yan) 重失效。

考慮曲率因素

如果水滴是在酒精存在的情況下形成，對水滴形成速率的預測可能會(hui) 偏離20倍以上。事實上，經典理論預測形成的水滴比研究人員在實驗中實際測量的要少10^20倍。把這個(ge) 數字放到上下文中來看，銀河係中的恒星數量大約是10^11顆——比這個(ge) 數字少了10億(yi) 倍。除了非常不準確之外，經典理論還做出了物理上不可能的預測。在某些情況下，例如對於(yu) 水-乙醇，它預測液滴中的水分子數量為(wei) 負數，這當然是不可能的。

Aasen研究背後的假設是，這些差異源於(yu) 理論中的一個(ge) 假設，該假設認為(wei) 原子核是球形的，但具有與(yu) 完全平坦的表麵相同的表麵張力。這裏的部分問題是很難估計成核過程中表麵張力的行為(wei) ，所以經典理論包括了液滴中表麵張力與(yu) 發現的平麵相同假設，這簡化了計算。大氣中形成的微小液滴核隻有幾納米寬，高度彎曲。假設成核的表麵張力與(yu) 完全平坦的表麵相同，這是經典理論並不總是成立的主要原因。

研究使用了液滴表麵的複雜模型，再加上液體(ti) 和蒸汽的精確熱力學模型，以改進經典理論。通過在解釋液滴彎曲程度的理論中，適當地包含更準確的表麵張力表示，能夠使成核率的理論預測與(yu) 實驗中實際觀察到的結果相一致，將偏差從(cong) 20多個(ge) 數量級減少到不到兩(liang) 個(ge) 數量級。經典成核理論有時做出奇怪的、物理上不可能的預測也消失了。

對液滴形成的更深層次理解和對其進行建模的程序，可以帶來遠遠超出氣候科學的好處：這個(ge) 理論和框架有可能在未來幾年改善對如此多現象的描述和理解。

博科園｜研究/來自：挪威科技大學

參考期刊《物理評論快報》

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