どこにでもある水滴はどうやって形成されるのでしょうか?液滴形成の原理は単純ではない

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水滴や泡は、コーヒーを淹れるときから複雑な工業プロセス、さらには火山の噴火に至るまで、ほぼあらゆる場所で見られます。ノルウェー科学技術大学とノルウェー師範教育大学の新たな研究により、これらの泡や液滴がどのように形成されるかについての理解が深まり、気候変動をモデル化する能力が向上する可能性がある。純水中の液滴の形成を理解することは、制御された実験室環境では十分に困難ですが、大気中では、液滴は他の多くの物質の存在下で形成されます。窒素、酸素、アルゴンなどの一部の元素は水とあまり相互作用しないため、簡単に説明できます。

この障害は、液滴の表面に留まりやすい物質である界面活性剤によって発生します。硬い表面で水滴が弾けるのを見たことがあるなら、水の表面張力が働いているのを見たことになります。水分子は空気中の分子よりも互いに強く引きつけられるため、できるだけしっかりとくっつき、水滴がドーム状になります。界面活性剤の一例としては、ビール、ワイン、シャンパン、その他のアルコール飲料に含まれるエタノールがあります。シャンパン一滴では、エタノール分子が表面に蓄積され、表面張力が大幅に低下します。

古典理論の欠陥

ノルウェー科学技術大学の研究者であるアイロ・アーセン氏は、不純物が存在する場合の核形成に焦点を当てています。フィジカル・レビュー・レターズ誌に新たに発表された彼の研究結果は、さまざまな産業プロセス、特に大気科学と気候モデリングに関連している。大気中で水滴が形成される前に、水滴の種または「核」を形成するのに十分な数の水分子間のランダムな衝突が起こる必要があります。ナノメートルサイズの小さな液滴は臨界核と呼ばれ、その形成は核形成と呼ばれます。これらのナノメートルサイズの液滴は通常、塵粒子の周囲に形成され、表面活性不純物が液滴表面に蓄積します。十分に大きな液滴が形成されると、それは自然に成長します。

核形成理論の主な目標は、この重要な「水滴の種」の性質を理解することです。雨滴内の水分子は、水滴内部の水分子と水滴表面の水分子の 2 種類に分けられます。水滴は丸いので、表面の水分子の隣接分子の数は、水滴内の分子の数よりも少なくなります。液滴が小さくなるほど、表面上の分子の割合が大きくなります。液滴コアは、液滴の外側にある少数の分子によって引き起こされる表面張力を克服する必要があるため、成長を続ける前に臨界サイズに達する必要があります。表面張力が小さいほど、液滴が形成されやすくなります。

ここで不純物が大きな影響を及ぼす可能性があります。界面活性剤は水滴と空気の間の表面張力を低下させます。界面活性剤不純物の濃度が低ければ、水滴形成速度が大幅に上昇することがわかります。硫酸やアンモニアなどの表面活性物質は雨滴の形成中に低濃度で存在する可能性があるため、これは天気予報や気候モデルにとって重要な入力パラメータとなる可能性があります。表面活性不純物が存在する場合、古典的な核形成理論は大きく外れます。

曲率を考慮する

アルコールの存在下で液滴が形成される場合、液滴形成率の予測は 20 倍以上も外れることがあります。実際、古典理論では、研究者が実験で実際に測定した数よりも 10^20 倍少ない液滴が形成されると予測されています。この数字を具体的に説明すると、天の川銀河には約 10^11 個の星があり、この数字の 10 億分の 1 に相当します。古典理論は極めて不正確であるだけでなく、物理的に不可能な予測も行います。水エタノールのような場合には、液滴内の水分子の数が負であると予測されますが、これはもちろん不可能です。

アーセン氏の研究の背後にある仮説は、これらの違いは、原子核は球形であるが完全に平らな表面と同じ表面張力を持つという理論の仮定から生じるというものである。ここでの問題の一部は、核形成中の表面張力の挙動を推定することが難しいことです。そのため、古典的な理論では、液滴の表面張力は平面上の表面張力と同じであるという仮定が含まれており、計算が簡素化されます。大気中に形成される小さな液滴核は、幅がわずか数ナノメートルで、非常に湾曲しています。核形成の表面張力は完全に平坦な表面と同じであると想定されており、これが古典理論が必ずしも当てはまらない主な理由です。

この研究では、液滴表面の複雑なモデルと、液体と蒸気の正確な熱力学モデルを組み合わせて、古典的な理論を改良しました。液滴の曲率を考慮した理論に表面張力のより正確な表現を適切に組み込むことで、核形成速度の理論的予測を実験で実際に観察されたものと一致させることができ、偏差を 20 桁以上から 2 桁未満に減らすことができました。古典的な核形成理論によってなされた、時には奇妙で物理的に不可能な予測も消え去った。

水滴の形成とそれをモデル化する手順についてのより深い理解は、気候科学をはるかに超えた利益をもたらす可能性があります。この理論と枠組みは、今後数年間で非常に多くの現象の説明と理解を向上させる可能性があります。

ボー・ケ・ユアン研究/出典：ノルウェー科学技術大学

参考ジャーナル: Physical Review Letters

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