Un día en la playa acosado por densas nubes, o el calor pegajoso de una neblina salada puede parecer el trabajo de grandes, Fuerzas impredecibles. Pero detrás de tales fenómenos atmosféricos hay miles de millones de pequeñas interacciones entre el aire y gotas microscópicas de agua salada lanzadas hacia arriba cuando las burbujas en la superficie del océano estallan.

Investigación publicada recientemente en la revista Fluidos de revisión física ahora describe la "velocidad del chorro" de estas gotas, o aerosoles, ya que se encuentran en líquidos como el agua de mar y el vino espumoso. Los investigadores crearon un modelo para predecir la velocidad y la altura de los aerosoles producidos por burbujas de 20 micrones a varios milímetros de tamaño. y en líquidos viscosos como el agua, o hasta diez veces más viscoso.

El "chorro" se refiere al líquido que brota después de que una burbuja estalla. Una vez que la película en forma de cúpula de la burbuja desaparece, la pequeña cavidad que la burbuja creó debajo de la superficie se apresura a cerrarse. La parte inferior de la cavidad se eleva rápidamente a medida que sus lados colapsan hacia abajo. Cuando estas fuerzas se encuentran, lanzan un chorro de agua al aire que contiene gotas que varían en tamaño de uno a 100 micrones. Un micrón es una millonésima parte de un metro; un cabello humano tiene aproximadamente 100 micrones de diámetro.

Las gotitas de las burbujas que estallan son el principal medio por el cual se producen aerosoles sobre el océano abierto. dijo el primer autor Luc Deike, un profesor asistente de la Universidad de Princeton de ingeniería mecánica y aeroespacial y el Instituto Ambiental de Princeton (PEI). Conocer la velocidad y la altura a la que se lanzan los aerosoles al aire se puede utilizar para modelar el clima con mayor precisión o crear una copa de champán perfecta.

"Tenemos un modelo que describe la velocidad del chorro en muchos tipos de líquidos, "Deike dijo, cuyo proyecto PEI Urban Grand Challenges, "Rompiendo olas extremas en áreas urbanas costeras, "apoyó la investigación". Si conoce el líquido que está considerando y el tamaño de la burbuja inicial, podemos decirle el tamaño del chorro y la velocidad del mismo ".

En agua de mar los aerosoles transfieren la humedad, sal, e incluso toxinas como las algas del océano al aire, Dijo Deike. Los investigadores encontraron que estos pequeños conjuntos de elementos y organismos pueden elevarse a velocidades de hasta 50 metros por segundo (111 millas por hora) donde pueden ser transportados a la atmósfera.

"Estas pequeñas gotas se disparan con una velocidad que las eleva a lo alto de la atmósfera. Esto sucede tan pronto como aparecen burbujas en el agua de mar, y tienes burbujas tan pronto como tienes olas. Está sucediendo todo el tiempo "dijo Deike, que estudia las interacciones aire-mar y la dinámica del rompimiento de las olas.

"Estoy analizando este proceso para proporcionar una mejor explicación de los aerosoles de rocío marino que se pueden usar para alimentar modelos atmosféricos, "Dijo Deike." La idea es tener algo que sea más físico y más preciso. Esto es algo a pequeña escala que afecta a los procesos atmosféricos a gran escala, como la formación de nubes y el equilibrio radiativo. Si tiene un agente biológico dañino en el agua que libera toxinas, esas toxinas pueden convertirse en parte de la atmósfera ".

Deike y sus coautores utilizaron resultados experimentales, basados ​​en agua y glicerina mezcladas con agua, y predicciones numéricas para crear su modelo. Los investigadores descubrieron que la viscosidad lo es todo:en cierto punto, un liquido, como la miel, se vuelve tan espeso que ya no se producen aerosoles. Al mismo tiempo, el "punto óptimo" en términos de tamaño de burbuja en el agua es de aproximadamente 20 micrones. Las burbujas de menos de 10 micrones o más de cuatro milímetros no producen aerosoles de chorro después de estallar.

Coautor Gérard Liger-Belair, Catedrático de física química en la Universidad de Reims Champaña-Ardenas, que estudia los gases disueltos y la dinámica de las burbujas en champán y vino espumoso, Dijo que el trabajo de los investigadores se aplica a numerosas áreas de interés científico y económico.

"Este artículo muestra que la fina interacción entre el tamaño de las burbujas y varios parámetros del líquido, principalmente su viscosidad, densidad y tensión superficial:tiene un impacto en el aerosol producido por una burbuja que estalla, "dijo Liger-Belair, quién escribió el libro de 2013, "Descorchado:La ciencia del champán", publicado por Princeton University Press. "Este documento es de hecho universal, y las conclusiones pueden aplicarse al rocío marino producido en los océanos o los aerosoles producidos sobre una copa de vino espumoso ".

En el vino, que es aproximadamente el doble de viscoso que el agua, la primera (y más grande) gota expulsada transporta el aroma del vino por encima del borde de una copa y hasta la nariz del consumidor. Dijo Liger-Belair. Para la industria de mil millones de dólares que estudia, maximizar esta gota es una prioridad. Este trabajo publicado podría usarse para alterar la geometría del vidrio, niveles de dióxido de carbono disuelto, o incluso la viscosidad del vino, que un consumidor no notaría, para mejorar el tamaño de las burbujas, velocidad y, por lo tanto, la "experiencia aromática, " él dijo.

"Poder predecir los mejores parámetros de la copa y el vino espumoso en términos de liberación de aroma a través de la acción de estallar burbujas es un avance significativo, ", Dijo Liger-Belair." La industria del champán podría beneficiarse de los resultados de este documento, cuales, por primera vez, presenta una descripción detallada de la velocidad del chorro que se forma al estallar burbujas para una amplia gama de parámetros físicos ".

Los siguientes pasos de los investigadores son especificar el tamaño de los aerosoles y cuantificar el número de gotas liberadas. Dijo Deike.

"Este trabajo te dice la velocidad y la proyección de aerosoles, pero estamos trabajando en cuántas gotas hay realmente, "Dijo Deike." Puede parecer que hay demasiados para contar, pero aún tenemos que contarlos ".