Um dia na praia com nuvens pesadas, ou o calor pegajoso de uma névoa salgada pode parecer o trabalho de grandes, forças imprevisíveis. Mas por trás de tais fenômenos atmosféricos estão bilhões de minúsculas interações entre o ar e gotas microscópicas de água salgada lançadas para cima à medida que bolhas na superfície do oceano estouram.

Pesquisa publicada recentemente na revista Fluidos de revisão física agora descreve a "velocidade do jato" dessas gotículas, ou aerossóis, como ocorrem em líquidos como água do mar e vinho espumante. Os pesquisadores criaram um modelo para prever a velocidade e a altura dos aerossóis a jato produzidos por bolhas de 20 mícrons a vários milímetros de tamanho, e em líquidos viscosos como água, ou até dez vezes mais viscoso.

O "jato" se refere ao líquido que sobe após o estouro de uma bolha. Assim que o filme em forma de cúpula da bolha se for, a pequena cavidade que a bolha criou sob a superfície se apressa em fechar. A parte inferior da cavidade sobe rapidamente à medida que as laterais desmoronam. Quando essas forças se encontram, eles lançam um jato de água no ar que contém gotículas que variam em tamanho de um a 100 mícrons. Um mícron é um milionésimo de um metro; um cabelo humano tem aproximadamente 100 mícrons de diâmetro.

Gotas de bolhas estourando são os principais meios pelos quais os aerossóis são produzidos acima do oceano aberto, disse o primeiro autor Luc Deike, professor assistente de engenharia mecânica e aeroespacial da Universidade de Princeton e do Instituto Ambiental de Princeton (PEI). Saber a velocidade e a altura em que os aerossóis são lançados no ar pode ser usado para uma modelagem climática mais precisa ou para criar uma taça de champanhe perfeita.

“Temos um modelo que descreve a velocidade do jato em muitos tipos de líquidos, "Deike disse, cujo projeto PEI Urban Grand Challenges, "Quebra de ondas extremas em áreas urbanas costeiras, "apoiou a pesquisa." Se você conhece o líquido que está considerando e o tamanho da bolha inicial, podemos dizer o tamanho do jato e a velocidade dele. "

Na água do mar, aerossóis transferem umidade, sal, e até mesmo toxinas como algas do oceano para o ar, Deike disse. Os pesquisadores descobriram que esses pequenos feixes de elementos e organismos podem subir a velocidades de até 50 metros por segundo (111 milhas por hora), onde podem ser transportados para a atmosfera.

"Essas pequenas gotas sobem com uma velocidade que as coloca bem alto na atmosfera. Isso está acontecendo assim que você tem bolhas na água do mar, e você tem bolhas assim que você tem ondas. Está acontecendo o tempo todo, "disse Deike, que estuda as interações ar-mar e a dinâmica das ondas quebrando.

"Estou olhando para este processo para fornecer uma explicação melhor dos aerossóis de spray marinho que podem ser usados ​​para alimentar modelos atmosféricos, "Deike disse." A ideia é ter algo que seja mais físico e mais preciso. Isso é algo em pequena escala que afeta processos atmosféricos em grande escala, como formação de nuvens e equilíbrio radiativo. Se você tem um agente biológico prejudicial na água que está liberando toxinas, essas toxinas podem se tornar parte da atmosfera. "

Deike e seus co-autores usaram resultados experimentais - com base em água e glicerina misturada com água - e previsões numéricas para criar seu modelo. Os pesquisadores descobriram que a viscosidade é tudo - em um determinado ponto, Um líquido, como mel, torna-se tão espesso que os aerossóis não são mais produzidos. Ao mesmo tempo, o "ponto ideal" em termos de tamanho de bolha na água é de cerca de 20 mícrons. As bolhas menores do que 10 mícrons ou mais do que quatro milímetros não produzem aerossóis a jato após estourarem.

Co-autor Gérard Liger-Belair, Professor universitário de física química na Universidade de Reims Champagne-Ardenne, que estuda gases dissolvidos e dinâmica de bolhas em champanhe e vinho espumante, disse que o trabalho dos pesquisadores se aplica a inúmeras áreas de interesse científico e econômico.

"Este artigo mostra que a interação fina entre o tamanho da bolha e vários parâmetros do líquido - principalmente sua viscosidade, densidade e tensão superficial - tem um impacto sobre o aerossol produzido por uma bolha que estoura, "disse Liger-Belair, quem escreveu o livro de 2013, "Uncorked:The Science of Champagne" publicado pela Princeton University Press. "Este artigo é realmente universal, e as conclusões podem ser aplicadas aos borrifos do mar produzidos nos oceanos ou aos aerossóis produzidos acima de uma taça de vinho espumante. "

No vinho - que é cerca de duas vezes mais viscoso que a água - a primeira (e maior) gota ejetada transporta o aroma do vinho acima da borda de um copo e para o nariz de seu consumidor, Liger-Belair disse. Para a indústria de bilhões de dólares que ele estuda, maximizar esta gota é uma prioridade. Este trabalho publicado pode ser usado para alterar a geometria do vidro, níveis de dióxido de carbono dissolvido, ou mesmo a viscosidade do vinho - que o consumidor não notaria - para aumentar o tamanho da bolha, velocidade e, portanto, a "experiência do aroma, " ele disse.

“Ser capaz de prever os melhores parâmetros do copo e do vinho espumante em termos de liberação de aroma por meio da ação do estouro de bolhas é de fato um avanço significativo, "Liger-Belair disse." A indústria do champanhe poderia se beneficiar dos resultados deste artigo, que, pela primeira vez, apresenta uma descrição detalhada da velocidade do jato formado pelo estouro de bolhas para uma ampla gama de parâmetros físicos. "

Os próximos passos dos pesquisadores são especificar o tamanho dos aerossóis, bem como quantificar o número de gotas liberadas, Deike disse.

"Este trabalho informa a velocidade e a projeção dos aerossóis, mas estamos trabalhando em quantas gotas realmente existem, "Deike disse." Pode parecer que há muitos para contar, mas ainda precisamos contá-los. "