怎么？贵的酒里的气泡，都比便宜酒里的听话？

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2023-07-28 18:07

来源：把科学带回家

作者：Ziv

（图片来源：GIPHY）

你观察过啤酒的气泡吗？

把它倒在杯子里后，会发出听上去就很清爽的“嘶嘶声”。从底部出现的气泡会一溜烟往上冒，随着上升，这些气泡会分裂成许许多多的小气泡。

但是如果把香槟或者其他起泡酒倒在杯子里，底部出现的气泡就会排成一排，笔直而稳定地上升。

香槟里面的气泡会排成直线稳定上升，而啤酒中的却会随着上升分散成很多小气泡（图片来源：GIPHY）

一些研究人员也发现了这个有趣的现象，他们好奇为什么香槟里面的气泡能够稳定上升，啤酒中的却不行。

为什么会冒泡？

不管是香槟、啤酒、碳酸饮料还是苏打水，它们的气泡都是溶解在液体中的二氧化碳。

由于瓶子里的压力高于大气压力，因此可以溶解更多气体。

把液体倒出来后，它们处在大气压下，摆脱了“高压控制”的气体就会跑出来。

（图片来源：GIPHY）

气泡会在某个成核位置形成，一旦它达到一定的临界尺寸，浮力超过了使气泡附着的表面张力，气泡就会开始自由上升。

上一个气泡离开后，在同一个位置立刻会形成一个新的气泡，然后它也长大、上升。这样一个接一个地形成气泡，就出现了气泡链。

气泡上升到液体最高处后，会短暂地停留一小会儿，直到它们表面的薄膜“啪”地一声破裂。

（图片来源：GIPHY）

上升过程中，不稳定才是常态

在气泡上升的过程中，它产生的尾流会影响到后面的气泡，气泡与水流之间的相互作用决定了它们是否会形成一簇簇的小气泡。

液体中物体产生的尾流示意图（图片来源：WU TH.YAO-TSU, 2005）

新形成的小气泡又会给液体带来新的扰动，影响其他气泡的上升路线，气泡链最终不再沿着直线上升。

两个上升气泡之间的相互影响（图片来源：参考资料[3]）

雷诺数是一个衡量流体流动是否稳定的值，这个值越大，流动就越不稳定。流速的微小变化会更容易被放大，形成紊乱的流场。

通常流体中的球形物体只有在雷诺数小于一定值时，才是稳定的。

而不管是香槟还是其他碳酸饮料，气泡上升时的雷诺数都超过了这个值，所以气泡在彼此产生的乱流中旋转、破裂、形成不稳定的气泡链才是正常的。

图片来源：（GIPHY）

那香槟中到底发生了什么，让气泡能如此稳定地上升呢？

香槟的秘密

研究人员分析了香槟、啤酒、苏打水等等液体的性质，包括液体密度、液体中脂肪酸的组成、产生气泡的大小、气泡的上升路径等等。

研究人员发现加入一些类似表面活性剂的成分会让气泡变得更稳定。

这些成分可以减少液体和气泡之间的摩擦力，让气泡顺利上升到顶部。

试验中的一些气泡上升的状态（图片来源：O. Atasi et al. [2]）

论文作者Zenit表示，在香槟中充当表面活性剂的蛋白质分子可是好东西，它们不仅能让气泡优雅地直线上升，还可以给香槟赋予独特的风味。

在啤酒中其实也有类似的表面活性剂，但并不是所有啤酒都能形成稳定的气泡链，这跟气泡本身的大小、啤酒的具体成分也有关系。

研究发现对于很小的气泡来说，它们形成的气泡链并不具有稳定的升力；而当气泡较大时，前一个气泡的尾流刚好能把下一个气泡吸入其中，从而形成稳定的气泡链。

当液体中不含表面活性剂成分时，气泡越大，气泡链越稳定；气泡大小相近时，液体中表面活性剂含量越高，气泡链越稳定（图片来源：O. Atasi et al. [2]）

小气泡的大用途

别以为这些气泡科学家只是碳酸饮料爱好者，他们更希望把气泡背后的科学原理应用到更广阔的领域。

曝气池是一种用于处理废水的装置，它的原理是利用氧气和微生物作用，来处理废水中的污染物。

它需要将水中不需要的气体和挥发性物质释放到空气中。借助气泡上升的研究，科学家希望找到能让曝气池中的气体更安全、稳定地排放出去的方法。

曝气池（图片来源：wiki）

在海底沉积界面之下，有石油、天然气等等液体和气体渗漏出来，产生一系列物理、化学以及生物作用，这种作用和它们的产物叫做冷泉（cold seep）。

冷泉能为海底生物提供丰富的碳源和能量，所以冷泉活动区域的海底生命非常活跃，被称为“深海绿洲”。

不过，冷泉活动会释放大量二氧化碳和甲烷到大气中，这两种气体都是全球气候变化的重要影响因子。

海底冷泉（图片来源：NOAA）

科学家希望能把小气泡的运动规律应用到更大的场景中，更好地了解和保护自然。

参考资料：

[1]https://www.brown.edu/news/2023-05-03/champagne-bubbles

[2]O. Atasi et al., “Presence of surfactants controls the stability of bubble chains in carbonated drinks,” Phys. Rev. Fluids 8, 053601 (2023).

[3]R. O’Reilly Meehan, B. Donnelly, K. Nolan, D.B. Murray, Bubble-wake interactions of a sliding bubble pair and the mechanisms of heat transfer, International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 108, Part B, 2017, Pages 1347-1356, ISSN 0017-9310,

https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.01.017

[4]https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%9B%B7%E8%AF%BA%E6%95%B0

[5]https://physics.aps.org/articles/v16/s67[6]https://citizendium.org/wiki/Aeration_basin

[7]https://www.cas.cn/kx/kpwz/201707/t20170703_4607213.shtml

[8]https://zh.wikipedia.org/zh-hans/%E5%86%B7%E6%B3%89

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