Чем меньше капля, тем быстрее её рост

В Институте динамики и самоорганизации Общества им. Макса Планка (Германия) установлено, что рост капель подчиняется вовсе не тем законам, которые применялись к ним на основании экспериментальных данных по большим каплям. Открытие предполагает, что искусственные системы ирригации и охлаждения во многом строились на неверном базисе.

На средней фазе образования капли демонстрируют наибольшее разнообразие и наименьшую скорость роста. (Здесь и ниже фото MPI for Dynamics and Self-Organisation.)

Когда при конденсации молекулы воды сливаются между собой, первоначальные капли имеют всего несколько микрометров в диаметре. Ранее считалось, что дальнейший рост подчиняется закону степенной зависимости. По нему, большие капли воды составляют меньшинство, а маленькие — большинство, причём на всех стадиях роста. Именно этому наблюдению подчиняется множество случайных групповых распределений в природе: размеры кратеров на Луне, распределение химических элементов в земной коре, слов в текстах…

Да вот беда: построенные на этой зависимости расчёты приводили к тому, что конденсация в подавляющем большинстве случаев начиналась раньше положенного. Именно поэтому, кстати, системы охлаждения зданий так часто приводят к повышенной влажности в помещениях.

Как водится, сначала немецкие исследователи провели компьютерное моделирование каплеобразования на основании имеющихся методик расчёта. Результаты были сверены с экспериментальными данными, когда рост капель фиксировался сверхбыстрой камерой высокого разрешения. И вот что выяснилось: степенной закон мало помогает для анализа ситуации с ростом капель — и в начале, и в конце процесса скорость образования капель была выше расчётной, и лишь в средней фазе роста она примерно соответствовала степенному закону.

На завершающей стадии крупные капли поглощают более мелкие, сформировавшиеся позднее.

Ключевой причиной этого стало то, что молекулы воды, конденсирующиеся на поверхности рядом с каплями, не остаются на месте, чтобы образовать новые молекулы, а мигрируют по поверхности прямо к уже имеющимся молодым каплям. Пока капли малы, они встречаются на поверхности весьма часто, и молекуле воды нужно совершить очень короткое путешествие. Поэтому рост на раннем этапе происходит очень быстро. Сходная ситуация образуется на поздних стадиях конденсации, когда количество капель на поверхности столь велико, что молекулам очень просто добраться до близлежащих капель.

Как отмечают исследователи, отныне системы искусственного кондиционирования воздуха, равно как и крупные промышленные холодильники, можно будет проектировать с большей эффективностью, без риска достижения каплями столь крупных размеров, когда это чревато резким ростом влажности воздуха.

Подготовлено по материалам Института динамики и самоорганизации Общества Макса Планка.