Wasser, Wasser Nicht Überall: Warum Pfützen Aufhören, Sich Auszubreiten

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Pfützen machen das erkennen und abwischen von wasser einfacher, aber die traditionellen gesetze der physik besagen, dass sich wasser unbegrenzt ausbreiten sollte. Warum also nicht?

Wenn Sie Wasser auf einen Glastisch verschütten, breitet sich das Wasser für einige Sekunden aus und bleibt dann in verschiedenen Pfützen stehen. Diese Formationen machen es einfacher, Wasser zu erkennen und mit einem Handtuch aufzuwischen, aber die traditionellen Gesetze der Physik besagen, dass sich Wasser unbegrenzt ausbreiten sollte. Warum also nicht?

Neue Forschungen verbinden die unterschiedliche Art, wie sich Pfützen bilden, mit der Art und Weise, wie unterirdische Gesteine ​​Kohlendioxid speichern. Wenn es abgekühlt und komprimiert wird, kann dieses Gas in einem Prozess ähnlich der Art und Weise, wie sich Flüssigkeit auf einer glatten Oberfläche ausbreitet, in die Poren eines Gesteins oder in die Räume zwischen den Gesteinskörnern eindringen. "Einige der Schlüsselphänomene sind in beiden Situationen üblich", sagte der Mitautor der Studie, Ruben Juanes, Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen am Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Die Ergebnisse haben Auswirkungen auf die Abmilderung der Auswirkungen des Klimawandels, da das Einspritzen von Kohlendioxid aus der Atmosphäre in Gesteine ​​die Treibhausgasemissionen reduzieren und die globalen Temperaturen kühlen könnte. [8 Wege, wie die globale Erwärmung die Welt bereits verändert]

Hassliebe

Die Art und Weise, wie Wasser über eine Oberfläche fließt, hängt davon ab, wie sehr die Oberfläche Wasser mag. Oberflächen, die hydrophil (wasserliebend) sind, lassen die Flüssigkeit sich vollständig ausbreiten und bedecken. Hydrophobe (wasserabweisende) Oberflächen halten jedoch die Flüssigkeitsansammlung aufrecht, so dass sie den geringstmöglichen Kontakt mit der Oberfläche herstellen, sagte Amir Pahlavan, Hauptautor der Studie und Doktorand in der Forschungsgruppe von Juanes am MIT.

Hydrophile und hydrophobe Oberflächen kommen sowohl in der Flora als auch in der Fauna vor. Viele Blätter sind hydrophob - nach einem regnerischen Tag sammeln sich kleine Tröpfchen auf den Blattoberflächen. Je weniger die Tröpfchen das Blatt berühren oder je kugelförmig die Tröpfchen sind, desto hydrophober ist das Blatt.

Der Stenocara-Käfer aus Afrikas Namib-Wüste hat sowohl hydrophobe als auch hydrophile Eigenschaften, die ihm helfen zu überleben. Der mit Rüstungen ummantelte Körper und die Flügel des Käfers steigen und fallen in unzähligen kleinen Unebenheiten und Pockennarben. Die hydrophilen Höcker helfen dabei, Nebel zu Wassertröpfchen zu kondensieren, die sich in den hydrophoben Pockermarken sammeln. Diese Pockenabdrücke leiten die Tröpfchen dann zum Maul des Käfers und geben dem Insekt einen Schluck Wasser.

Aber warum sind Oberflächen so besonders an Flüssigkeiten? Es habe mit einer Oberflächeneigenschaft zu tun, die als "Benetzbarkeit" bezeichnet wird, sagten die Forscher. Benetzbarkeit beschreibt die Wechselwirkung zwischen einer flüssigen oder gasförmigen und einer festen Phase; Zum Beispiel wird ein Gestein als feste Phase betrachtet, und Kohlendioxid, das mit Regenwasser gemischt wird (Kohlensäure bilden), ist eine Flüssigkeit. Ein Gestein, das stärker hydrophil ist, kann mehr Kohlensäure absorbieren.

Die Benetzbarkeit eines Gesteins variiert mit der Form, Größe und Glätte seiner Körner. Gesteine ​​mit kleineren Körnern und kleineren Poren sind vorzugsweise mit Wasser gesättigt.

Zu Tropfen oder nicht Tropfen?

Wenn eine Flüssigkeit über ein poröses Gestein (das mit vielen leeren Räumen gefüllt ist) fließt, verdrängt die Flüssigkeit Luft im mikroskopischen Maßstab. Um zu verstehen, wie die Atome der Flüssigkeit mit den Gasatomen interagieren, sei es wichtig, das System genau zu beschreiben, sagte Pahlavan gegenüber WordsSideKick.com.

Obwohl flüssige Moleküle "bevorzugen", von ihrer eigenen Art umgeben zu sein, beginnen sie, wenn sie von Gasatomen umgeben sind, mit dem Gas zu interagieren. Diese Wechselwirkung verursacht Oberflächenspannung.

"Stellen Sie sich vor, Sie haben einen Tisch, der mit einem dicken, flüssigen Film bedeckt ist", sagte Pahlavan. Die Luft über dem Tisch enthält Gasatome, die sich bewegen; Darunter treffen die Gasatome auf den dicken, flüssigen Film. Unten, wo sich Gas und Flüssigkeit treffen, befindet sich der Großteil des Flüssigkeitsfeldes, das mit dem festen Tisch interagiert. [Galerie: Verträumte Bilder zeigen Schönheit in der Physik]

Durch das Zusammendrücken des Flüssigkeitsfilms wird dieser destabilisiert und die Flüssigkeit gezwungen, einzelne Tröpfchen zu bilden. "Wir waren verwirrt, warum das so ist", sagte Pahlavansaid.

Wenn die Flüssigkeit dünner gepresst wird, verschwindet der Großteil der Flüssigkeitsschicht. Infolgedessen werden die flüssigen Atome gezwungen, mit den Gaspartikeln aus der Luft darüber und festen Partikeln aus der nachstehenden Tabelle in Wechselwirkung zu treten. "Dies führt zu einem zusätzlichen Druck in dem System, der als ablösender Druck bekannt ist", sagte Pahlavan. Dieser Druck wirkt mikroskopisch und wird als Kraft pro Fläche der zwei interagierenden Phasen (wie Gas und Flüssigkeit) gemessen.

Felsen speichern Kohlenstoff

Die unterschiedlichen Drücke spielen eine Rolle, wenn man untersucht, wie Flüssigkeiten mit Gesteinen interagieren. "Stellen Sie sich vor, Sie hätten eine Ölwolke umgeben von Wasser in einem porösen Medium wie einem Grundwasserleiter oder einem unterirdischen Reservoir. Die traditionelle Gleichung würde vorhersagen, dass sich diese Wolke für immer ausbreiten wird - aber das ist nicht das, was passiert", sagte Juanes.

Das Öl ist eine nicht mischbare Flüssigkeit, dh es vermischt sich nicht mit anderen Flüssigkeiten. Um eine Gleichung abzuleiten, die beschreibt, wie eine Flüssigkeit über ein poröses Gestein fließt, wollen die Forscher die Auswirkung der Unmischbarkeit erfassen.

Beispielsweise hängt die Wirksamkeit der geologischen Kohlenstoffbindung, bei der Kohlendioxid aus Kohlekraftwerken tief in den Untergrund gefördert wird, davon ab, wie gut Gestein Kohlendioxid aufnehmen kann.

Diese Substanz ist mit dem unterirdischen Salzwasser fast nicht mischbar.Das Verständnis der mikroskopischen Kräfte, die verhindern, dass sich das eingespritzte Kohlendioxid zu dünn ausbreitet, könnte Informationen darüber liefern, wie es sich in den unterirdischen Gesteinen bewegt, so die Forscher.

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

Elizabeth Goldbaum ist eingeschaltet Twitter. Folgen Sie WordsSideKick.com @wordssidekick, Facebook & Google+. Originalartikel zu WordsSideKick.com


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