王笑非课题组PNAS:气泡破裂如何产生亚微米海盐气溶胶
发布时间:2022-01-05  浏览次数:15

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       近日,复旦大学环境科学与工程系王笑非课题组同法国艾克斯-马赛大学Emmanuel Villermaux教授合作在美国科学院院刊 PNAS上发表了题为“Submicron Drops from Flapping Bursting Bubbles” 的论文。文章提出,亚微米海盐气溶胶主要是由微米级气泡膜在破裂时发生抖动拍打而形成的。气泡破裂产生液滴是海盐气溶胶的主要产生方式,分析这种液滴产生机理对我们理解海气界面物质传输以及海洋气溶胶的理化特性极为重要。本文对气泡破裂的膜滴产生机理进行了探索并提供了理论支持,有助于后续研究海盐气溶胶的产生通量,以及其大气化学过程。


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       海洋飞沫气溶胶(又称海盐气溶胶)是大气气溶胶的主要来源之一,是水气界面传输水分、盐分、有机物、微生物的重要载体,对气候环境、大气化学和人体健康等都有着极其重要的影响。其中,气泡破裂是主要的海盐气溶胶产生途径,分别通过两种方式产生气溶胶:一是气泡膜在受到瑞利泰勒不稳定性(Rayleigh-Taylor instability)和向心加速度的影响下破裂,产生的液滴称为膜滴;二是气泡破裂后空腔崩塌产生的沃辛顿射流(Worthington jet)裂解,产生的被称为射滴。

       近几十年来,海盐气溶胶受到了极大的关注,研究发现大部分海盐气溶胶是亚微米级的颗粒。本文通讯作者王笑非研究员在2017年的一篇PNAS中,通过对比液滴的带电特性,发现实际海盐亚微米气溶胶有20-40%是源自于气泡破裂产生的射滴。那么剩余的60-80%的膜滴气溶胶是如何产生还不清楚,所以本文对此进行了探索。

       本文首先解释了为什么传统的膜滴产生机制(瑞利泰勒不稳定性和向心加速度作用下的液带碎裂)并不能成为亚微米液滴的产生方式。只有气泡半径大于约1 mm时才可以通过这种方式产生膜滴,而经过理论计算可以得到,此时气泡破裂产生的最小液滴在干燥后直径也在2 μm左右,远大于海洋中粒径主要集中在100-200 nm的这部分气溶胶颗粒。

  

图1 五种不同半径气泡在盐水破裂产生的颗粒粒径分布概率密度函数


       随后,文章报道半径小于约1 mm的气泡却可以产生亚微米液滴(图1)。对于这部分亚微米液滴来源的可能性机制,文章对现有理论,包括小气泡射滴、以及伴生二次气泡产生的小气泡射滴都做了理论分析和数据计算,并一一排除。然后,文章提出了基于Squire不稳定性的膜拍打机制设想。极薄的气泡膜在破裂时对环境密度十分敏感,会由于Squire不稳定性(以发现人Herbert B. Squire命名)的影响而产生拍打现象。微米级的气泡膜厚度仅有几十纳米,而空气-水界面的密度比值又满足理论计算得到的Squire不稳定性对环境密度的限制条件,于是作者便围绕膜的拍打机制理论计算结果进行一系列实验验证和探索。借助20万帧每秒的高速摄影机,拍摄到了小气泡破裂时确实会有膜滴产生(图2为影像截图)。文章中根据理论计算结果,辅以实验加以验证。

  

图2 气泡膜发生拍打(flapping)的照片


       文章对半径大于~1 mm的大气泡瑞利泰勒不稳定性以及半径小于~1 mm的小气泡Squire不稳定性这两种机制的发挥作用区间进行探索。对不同大小的气泡通过相同的盐水海水实验,得到单个气泡破裂产生的亚微米液滴数量与气泡半径的关系图(图3)。明显看出R在~1 mm处出现明显的分界点,产生的液滴数量急剧变化也表明了产生机制发生了改变。小气泡膜拍打产生的膜滴数量在气泡大小到达临界值时的锐减现象。图3中同样发现了大气泡也产生了少量的亚微米液滴,这部分亚微米液滴很可能是大气泡产生膜滴时附带产生的卫星滴。


  

图3 气泡膜曲率半径与单气泡产生亚微米液滴数量的关系


       另外,关于海盐气溶胶有一个之前不能被很好解释的现象:粒径小于100 nm的海盐气溶胶中有机质的含量通常高于50%,大大高于海水微表层的有机质含量。本文给出了一个解释。表面活性有机物在水气界面会形成单一分子层,其质量遵循Langmuir吸附平衡。因此气泡膜的有机质占比与气泡膜厚度密切相关,气泡膜越薄,其海水质量越小,则有机质占比就越高。由于瑞利泰勒不稳定性破裂的大气泡膜厚超过了100 nm,有机质占比便不会很高,而因为膜摆动(flapping)破裂的小气泡,其膜厚度要薄的多。这就解释了此前研究中低于100 nm的海洋飞沫气溶胶有机占比高的观测结果。


总结

       文章通过对气泡破裂产生膜滴的不稳定性原理进行理论推导,提出并验证了一种可以初步解释气泡破裂产生膜滴的理论。膜滴的产生方式主要分为两种,一种是瑞利泰勒不稳定性导致的气泡膜形成液带碎裂,一种是Squire不稳定性导致的气泡膜发生拍打抖动碎裂,气泡的大小和环境密度都会对膜滴的产生方式产生影响。而海洋中数量庞大的微小(R<1 mm)气泡主要通过后一种方式产生亚微米海盐气溶胶,对大气气候的影响十分显著。亚微米海盐气溶胶产生理论的阐明可以使我们更好地理解其理化性质和环境效应。


通讯作者:王笑非

通讯单位:复旦大学环境科学与工程系

论文链接:https://www.pnas.org/content/119/1/e2112924119


作者简介

王笑非,男,1986年8月出生,2007年和2009年分获复旦大学学士和硕士学位,2014年于美国圣路易斯华盛顿大学获博士学位,2014–2018年在美国加州大学圣地亚哥分校任博士后和助理研究项目科学家,2018年9月加入复旦大学环境系,任青年研究员,博士生导师。入选国家青年人才计划,曾获得国际空气与污染管理协会Dave Benferado奖和上海市研究生优秀成果(学位论文)。主要从事大气气溶胶形成机理和环境效应研究。近年来所做的代表性工作包括:海盐飞沫和沙尘等自然源一次气溶胶中的生成机理和环境效应;咳嗽、呼吸产生飞沫气溶胶机理和模拟;测量气溶胶密度、形状、吸湿性仪器的开发。发表第一作者/通讯作者SCI论文20篇,包括在PNAS、ACS Cent. Sci.、Atoms. Chem. Phys.、J. Geophys. Res.、Environ. Sci. Technol.等国际知名期刊上发表的论文;目前主持国家自然科学基金面上项目和青年基金各1项,上海市科委面上基金1项,上海市公卫体系建设三年行动计划子课题2项。