Így még soha nem láttunk buborékot - szuperlassítású videókat mutattak be anya-, leány- és unokabubo

Egy buborék szétpattanása egyszerű dolognak tűnik. A jelenség azonban összetettebb az eddig gondoltnál. A folyadékfelszínen úszó nagy buborékok ahelyett, hogy egyszerűen eltűnnének szétpukkadásukkor, kisebb buborékokból álló körfüzért hagynak maguk után. Ez a viselkedés egy konyhai mosogatóban éppen úgy előfordul, mint az óceánokon. Képes-filmes beszámoló.

A felületet minimalizáló erők miatt a folyékony vagy szilárd felszínen ülő buborékok félgömb alakot vesznek fel. A buborék belsejében nagyobb a nyomás, mint kint. Amikor a buborék megnyílik, azaz szétpukkan, a felületi feszültségeknek megfelelően befelé irányuló erők lépnek fel, melyek a néhány ezredmásodperc alatt összehúzódó buborékhártya kihajlását okozzák. Egy nagyon rövid életű úgynevezett légtórusz keletkezik, melyet a felületi feszültség kisebb buborékok gyűrűjévé darabol. (A csapból folyó vékony vízsugár szétesése cseppecskékre - a felületi feszültség hatására - ezzel analóg jelenség.)

Fél másodpercen belül a gyűrű alakban elhelyezkedő, az eredetinél két nagyságrenddel kisebb átmérőjű buborékok is szétpukkannak, és szintén gyűrűt hoznak létre még apróbb buborékokból, miközben cseppecskéket szórnak a légkörbe. Ezzel azonban véget is ér a folyamat, harmadik kaszkádlépcsőt eddig még nem figyeltek meg a kísérletekben. A legkisebb buborékok már nem félgömbsapka alakúak, és a kisebb görbület miatti nagyobb belső nyomásuk még gyorsabb gázelnyelést eredményez. Végül a legapróbb buborékok egyesülnek a vízzel.

Anya-, leány- és unokabuborékok, valamint kilövellt cseppecskék. Ha nem túl nagy a buborékhártya viszkozitása, akkor a nagyobb buborékok szétpattanása két lépésben játszódik le, ezek mindegyikében a szülőbuborék átmérőjénél két nagyságrenddel kisebb utódbuborékok keletkeznek

A kutatók két, egymással szinkronizált nagysebességű kamerával rögzítették a folyamatot. Az egyik kamera oldalról, a másik alulról készítette a képeket.

5 mm-es buborék szétpattanása. A megszakadt buborékhártya az első két millimásodpercben összehúzódik, miközben a felső pereme kifelé hajlik. Jól látszanak a befelé húzódó utódbuborékok az 5-10 ms közötti időszakban. A kiindulási buborék nehezebb a levegőnél, mert a buborékgörbület miatt a belső nyomás nagyobb a külsőnél. Emiatt a buborék szétpattanásának a hatása a vízfelszínre ahhoz hasonlít, mintha hirtelen egy úszó tágyat rántanánk ki a vízből: vízfelszíni hullámok keletkeznek a 10 ms után

A mérésekről a kutatók videofelvételt készítettek, majd a látottak alapján elkészítették a buborék átalakulásának matematikai modelljét. Kiderült, hogy a nagy csepp szétpattanásakor nem is egy, hanem kettő légtórusz keletkezik. Ha ezek közül a belső szétpukkan, akkor cseppecskék szóródnak a levegőbe.

A buborék szétpattanásának fizikája sem a buborék, sem a felület anyagától nem függ. A gyűrűhatás meglepő módon még a viszkózus olajban és a víznél 5000-szer viszkózusabb oldatokban is megfigyelhető. James C. Bird, a kutatásról szóló cikk egyik szerzője nagyon szeretné tanulmányozni a szétpattanási hatást az olyan egzotikus anyagokban is, mint a folyékony üveg, a láva és a sár.

Egy 5,3 mm átmérőjű buborék szétpattanása. A levegőt tartalmazó glicerol-víz buborék sorsáról oldalról és felülről is készült képsorozat. Az utolsó képeken a buborék eredeti méretét vörös szaggatott vonal mutatja

Az utódbuborékok gyűrűje csak egynél nagyobb Reynolds-szám esetén jön létre. A Reynolds-szám egy viszonyszám, mely azt fejezi ki, hogy a hidrodinamikai folyamat során a tehetetlenségi erők hányszorosai a belső súrlódási erőknek. Egy másik hasonlósági szám a Ca kapillárisszám, amely a viszkózus erők és a felületi feszültség relatív hatását fejezi ki. A modellszámítások szerint akkor keletkezik két légtórusz, ha Ca nagyobb egynél (és Re>1). Utódbuborékok tehát akkor jönnek létre, ha a szétpattanó buborék anyagának tehetetlensége domináns a viszkozitás hatásaival szemben.

A buborék szétpattanásának számítógépes szimulációja. Ha a viszkozitás hatása domináns a felületi feszültség felett (b ábra), akkor két koncentrikus légtórusz alakul ki. Ha a felületi feszültség hatása a nagyobb (c ábra), akkor a belső légtórusz instabilabb, hamarabb elpattan és cseppecskéket szór szét

Ez a kutatás a nagy buborékok aeroszol-képző szerepére is felhívja a figyelmet. Az már korábban is tudott volt, sőt a szódavíz esetén jól látható és érezhető, hogy a kis felszíni buborékok szétpukkanásakor apró cseppecskék lövellődnek felfelé. Azonban a néhány milliméteresnél nagyobb buborékokkal eddig nem foglalkoztak a kutatók, mert úgy vélték, hogy azok nem termelnek aeroszolt. A jelenlegi kutatások erre cáfoltak rá.

Fél mm átmérőjű buborék szétpattanása. Ezúttal nem keletkeztek utódbuborékok, viszont a 2-4 millimásodperc közötti időszakban kivehetők a fölfelé lövellt és cseppecskékre szakadt folyadéksugár elemei (a videón nyíl mutatja ezeket). A kis buborékok szétpattanása kisebb energiájú, de nagyobb frekvenciájú felszíni hullámokat kelt

A buborékokból származó aeroszolok egészségügyi és meteorológiai szempontból is lényegesek lehetnek. Az apró buborékokból kilövellő cseppecskék fertőző anyagot, oldott gázt és sót juttathatnak a vízből a levegőbe. Az óceáni buborékok időjárásra való hatása is figyelemreméltó lehet, mivel a becslések szerint 10^18 - 10^20 darab buborék pattan szét másodpercenként az óceánokon. Az ipari folyamatokban (pl. üveggyártás) is problematikusak lehetnek a buborékok, melyeket még az üveg megszilárdulása előtt el kell távolítani.

A buborék szétpattanásának eredménye a buborék méretétől, anyagának sűrűségétől, viszkozitásától, felületi feszültségétől függ. Ha túl kicsi a buborék mérete és sűrűsége, akkor szétpattanásakor nem hagy utódbuborékokat maga után (narancssárga tartomány). A viszkozitás és a felületi feszültség viszonyának lényeges szerepe van abban, hogy egy vagy két átmeneti légtórusz keletkezik-e (lila, illetve kék tartomány). Ha a leánybuborék elég nagy méretű, akkor az is az ábra kék-lila tartományában helyezkedik el, és unokabuborékok is keletkeznek