Wasser, Wasser nicht überall: Warum Pfützen Verbreitung stoppen

Wenn man Wasser auf einem Glastisch verschüttet, das Wasser breitet sich für ein paar Sekunden, und stoppt dann in verschiedene Pfützen. Diese Formationen machen Wasser leichter zu erkennen und mit einem Tuch aufwischen, aber die traditionellen Gesetze der Physik sagen, Wasser auf unbestimmte Zeit verbreiten sollte. Also warum nicht?

Neue Forschung verbindet die unterschiedlichen Meinungsbildung der Pfützen zu der Art und Weise unterirdischen Felsen laden Kohlendioxid. Wenn abgekühlt und komprimierte, kann dieses Gas sickern in einem Felsen Poren oder die Räume unter den Felsen Körner, in einem Prozess ähnlich wie die Art und Weise Flüssigkeit über eine glatte Oberfläche ausbreitet. "Einige der wichtigsten Phänomen in beiden Fällen", sagte Co-Studienautor Ruben Juanes, Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen am Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Die Erkenntnisse haben Auswirkungen auf die Auswirkungen des Klimawandels abzuschwächen, weil Kohlendioxid aus der Atmosphäre in Felsen Injektion könnte dazu beitragen, Treibhausgas-Emissionen reduzieren und globale Temperaturen kühler zu halten. [8 Möglichkeiten, die globale Erwärmung bereits die Welt verändert]

Liebe/Hass-Beziehung

Die Art und Weise Wasser fließt über eine Oberfläche hängt, wie viel die Oberfläche likes"" Wasser. Oberflächen, die hydrophilen (Wasser-liebenden) ermöglicht die Flüssigkeit verteilt und vollständig zu decken. Hydrophobe (wasserabweisende) Oberflächen halten Flüssigkeiten aufgestaute, so dass sie die kleinsten möglichen Kontakt mit der Oberfläche, machen jedoch sagte Amir Pahlavan, Erstautor der Studie und ein Doktorand in Juanes Forschungsgruppe am MIT.

Hydrophile und hydrophobe Oberflächen kommen natürlicherweise auf Flora und Fauna. Viele Blätter sind hydrophob – nach einem regnerischen Tag, kleine Wassertröpfchen sammeln sich auf den Blättern Oberflächen. Je weniger die Tröpfchen berühren das Blatt, oder je mehr kugelförmigen Tröpfchen sind, die mehr hydrophobe das Blatt.

Der Stenocara Käfer von Namib-Wüste Afrikas hat sowohl hydrophobe und hydrophile Eigenschaften, die es zu helfen überleben. Der Käfer Rüstung umhüllt Körper und Flügel steigen und fallen in unzählige kleine Beulen und Narben. Die hydrophilen Unebenheiten helfen Nebel in Wassertröpfchen kondensieren, die in der hydrophoben Pockennarben sammeln. Diese Pockennarben einläuten dann die Tropfen in Richtung der Käfer Mund, geben dem Insekt einen Schluck Wasser.

Aber warum sind die Oberflächen so insbesondere über Flüssigkeiten? Es hat zu tun mit einer Oberflächeneigenschaft, deskriptiv genannt "Benetzbarkeit,", sagte der Forscher. Benetzbarkeit beschreibt die Interaktion zwischen einer Flüssigkeit oder Gas und einer festen Phase; zum Beispiel ein Felsen gilt eine feste Phase, und Kohlendioxid gemischt mit Regenwasser (Bildung von Kohlensäure) ist eine Flüssigkeit. Ein Gestein, das mehr hydrophile ist kann mehr Kohlensäure aufnehmen.

Die Benetzbarkeit eines Felsens variiert je nach Form, Größe und Glätte der Körner. Felsen mit kleinere Körner und kleineren Poren sind bevorzugt mit Wasser gesättigt.

Tropfen oder nicht Tropfen?

Wenn eine Flüssigkeit fließt über ein poröses Gestein (einer, der mit vielen Leerstellen gefüllt ist), verdrängt die Flüssigkeit Luft auf einer mikroskopischen Skala. Wichtig für die präzise Beschreibung des Systems ist Interaktion der Atome der Flüssigkeit und die Atome des Gases zu verstehen, sagte Pehlivan Leben Wissenschaft.

Obwohl Flüssigkeitsmoleküle "lieber" von ihrer eigenen Art umgeben zu sein, wenn sie von Gasatomen umgeben sind, beginnen sie mit dem Gas zu interagieren. Diese Interaktion wird Oberflächenspannung.

"Stellen Sie sich vor Sie haben eine Tabelle, die mit einem dicken, flüssigen Film überzogen ist," sagte Pehlivan. Die Luft über der Tabelle enthält Gasatomen bewegen; dann darunter treffen die Gasatomen den dicken, flüssigen Film. Unten wo die Gas und Flüssigkeit Treffen der Großteil des Feldes Flüssigkeit ist, die in mit der soliden Tisch Wechselwirkung [Gallery: verträumte Bilder zeigen Schönheit in der Physik]

Quetschen der Flüssigkeitsfilm es destabilisiert und die Flüssigkeit zu einzelnen Tröpfchen bilden. "Wir waren verblüfft warum dies geschieht," Pahlavansaid.

Die Flüssigkeit dünner gedrückt wird, verschwindet der größte Teil der flüssigen Schicht. Infolgedessen sind die flüssigen Atome gezwungen, zur Interaktion mit der Gas-Partikel aus der Luft oben und Feststoffpartikel aus der nachstehenden Tabelle. "Dies stellt einen zusätzlichen Druck im System, das bekannt ist als hinauf Druck", sagte Pehlivan. Diesem Druck wirkt auf einer mikroskopischen Skala und bemisst sich als Kraft pro Fläche der beiden interagierenden Phasen (wie ein Gas und Flüssigkeit), sagte er.

Felsen speichern Kohlenstoff

Die unterschiedlichen Druck kommen ins Spiel, bei der Untersuchung der Interaktion von Flüssigkeiten mit Felsen. "Stell dir vor, dass Sie eine Wolke aus Öl von Wasser in ein poröses Medium, wie ein Aquifer oder unterirdischen Reservoir umgeben haben. Die traditionelle Gleichung würde sagen voraus, dass diese Wolke ewig verteilt wird – aber das ist nicht das, was passiert, "Juanes sagte.

Das Öl ist ein nicht mischbare Flüssigkeit, was bedeutet, dass es nicht gerne mit anderen Flüssigkeiten mischen. Um eine Gleichung abzuleiten, die beschreibt, wie eine Flüssigkeit über einen porösen Felsen fließt, wollen die Forscher den Effekt der Mischbarkeit erfassen.

Zum Beispiel die Wirksamkeit der geologische Kohlenstoffbindung — die beinhaltet Pumpen Kohlendioxid aus Kohlekraftwerken in Felsen tief unter der Erde gefangen – hängt davon ab wie gut Felsen von Kohlendioxid zu nehmen.

Diese Substanz ist mit dem salzigen Wasser Untergrund fast vollständig mischbaren. Als solche sagte verstehen die mikroskopische, halten zwingt das eingespritzte Kohlendioxid Ausbreitung von zu dünn mitteilen könnten, wie es sich in den Untergrund Felsen bewegt sich nach unten, der Forscher.

Die Studie wurde am 17 Juli in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

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