Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk w Warszawie dowiedli, że proces parowania był dotychczas źle tłumaczony. - Przez ponad wiek w opisie teoretycznym zjawiska parowania wszyscy popełnialiśmy poważny błąd - twierdzi Marek Litniewski. Konsekwencje tego odkrycia przekładają się na globalne ocieplenie.
Parowanie w atmosferze zachodzi głównie z powierzchni mórz i oceanów. Paruje nie tylko woda w zbiornikach, lecz także inne substancje w stanie ciekłym, czyli np. ludzki pot czy mikrokrople paliwa w silniku samochodu. W związku z tym nowe odkrycie może wywrzeć wpływ na koszty podróży samochodem. Wydawało się, że tak powszechny proces nie kryje już dla nas żadnych tajemnic. Jednak polscy naukowcy twierdzą inaczej.
- Nauka kiepsko sobie radzi z opisami procesów zachodzących w przyrodzie. Znakomicie opisujemy stany: to co jest na początku procesu i to, co jest na końcu. Ale co się dzieje pomiędzy? Jak naprawdę przebiega dany proces? Od wielu lat zadajemy sobie to pytanie w odniesieniu do zjawiska parowania - stwierdził prof. dr hab. Robert Hołyst z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk.
W równowadze z otoczeniem
Od ponad stu lat w rozważaniach naukowych do opisu szybkości parowania używa się wzoru Hertza-Knudsena. Zakłada on, że w danej temperaturze szybkość tego procesu zależy od tego, jak aktualne ciśnienie przy powierzchni różni się od ciśnienia, które panowałoby, gdyby parująca ciecz znajdowała się w równowadze termodynamicznej z otoczeniem (uwzględniane parametry są stałe w czasie).
- Im układ bardziej odchylony od stanu równowagi, tym dynamicznej powinien do niej powracać. Sprawdziliśmy wzór Hertza-Knudsena. W tym celu przeprowadziliśmy dokładne symulacje komputerowe, które po raz pierwszy pozwoliły przyjrzeć się przebiegowi parowania - wyjaśnia dr hab. Marek Litniewski z IChF PAN.
"Wszyscy popełnialiśmy poważny błąd"
Jednak co innego zwróciło uwagę naukowców. Okazało się, że strumień gazu uwalniającego się z powierzchni cieczy w trakcie parowania zmieniał się w niewielkim stopniu mimo znacznych wahań ciśnienia.
- Wniosek z tej obserwacji mógł być tylko jeden: szybkość parowania i ciśnienie pary (ciśnienie wywierane przez parę wodną zawartą w powietrzu - przyp. red.), czyli wielkości fizyczne, które dotychczas uznawano za ściśle ze sobą powiązane, wcale takimi nie były. Przez ponad wiek w opisie teoretycznym zjawiska parowania wszyscy popełnialiśmy poważny błąd - stwierdził Litniewski.
Zachowanie pędu
Dotychczasowy model parowania bazował na zasadzie zachowania masy: masa cząsteczek uwolnionych z powierzchni cieczy musiała odpowiednio zwiększać masę gazu w jej otoczeniu. Fizycy z IChF PAN zauważyli jednak, że skoro cząsteczki uwalniane z powierzchni mają pewną prędkość, do opisu zjawiska należałoby użyć zasady zachowania pędu.
- Zdaliśmy sobie sprawę, że parowanie w pewnym stopniu przypomina strzelanie z działa: pocisk wylatuje w jedną stronę, ale całkowity pęd układu musi zostać zachowany, więc działo ulega odrzutowi w przeciwną. Podobnie dzieje się z cząsteczkami parującej cieczy. Skoro unoszą pęd, musi być odrzut, a skoro jest odrzut, to ciśnienie odczuwane przez cząsteczki na powierzchni cieczy będzie inne - stwierdził prof. Hołyst.
Większe wartości parowania
Prędkości cząsteczek uwalnianych z powierzchni cieczy okazały się niewielkie, rzędu setek mikrometrów na sekundę, co odpowiada zaledwie kilku kilometrom na godzinę. Fakt ten oznacza, że praktycznie każdy naturalnie występujący przepływ nad powierzchnią cieczy musi silnie zaburzać proces parowania. Nie można więc go opisywać wzorem Hertza-Knudsena. Analizy wykazały, że wartości niektórych parametrów opisujących parowanie są nawet kilkukrotnie większe od przewidywanych przez znany wzór.
Klimat do poprawki
Odkrycie niesie dalekosiężne konsekwencje m.in. dla obecnych modeli globalnego klimatu, gdzie kluczową rolę odgrywa właśnie parowanie z oceanów. Proces ten kształtuje klimat naszej planety. Wbrew potocznemu przekonaniu, gazem cieplarnianym najobficiej występującym w atmosferze naszej planety nie jest dwutlenek węgla, lecz para wodna. Prędkości przepływów mas powietrza nad oceanami mogą znacznie przekraczać sto kilometrów na godzinę, a zatem wpływają na szybkość parowania. Dotychczasowe oceny tempa parowania oceanów muszą więc być obarczone błędami. Specjaliści podają, że z pewnością wpływa to na dokładność przewidywań współczesnych modeli klimatu.
Globalne ocieplenie głównie odzwierciedla się we wzroście średniej temperatury powietrza na Ziemi. Zobacz, jak zmieniała się ona w latach 1954-2013:
Autor: AD/map / Źródło: Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk