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啤酒瓶的火山爆發到底是怎麼一回事

 未成年請勿飲酒

飲酒過量,有礙健康

編譯 / 張貽雯(就讀於臺灣科技大學應外系,覺得周遭皆科學,每個人都有機會一窺他的奧妙。)

想像你在一場派對上,有人趁你不注意,用啤酒瓶底敲擊你的瓶口,突然,啤酒泡泡從瓶口源源不絕的湧出,讓你全身濕答答,嘴巴裡滿滿都是啤酒泡沫。

如果曾經深受其害,那你對這種惡搞遊戲一定不陌生。最近一組流體力學的團隊解釋了這個有如火山溢流的現象,也許可以幫忙解釋湖底噴發的罕見現象,甚至對碳封存計劃的安全性提出警告。

物理學家德瓦拉傑·凡德米爾(Devaraj van der Meer)(未參與研究)任職於荷蘭東部的屯特大學(University of Twente),他說:「這項研究非常出色,提出的解釋頗具說服力。」

研究的主要作者—馬德里卡洛斯三世(Carlos III University of Madrid)大學的哈維爾·羅德里格斯(Javier Rodríguez-Rodríguez)說:「我們一開始是在酒吧裏想到這問題。」聽起來就好像平常人會想到的疑問!那為什麼輕拍酒瓶就會起泡沫呢?答案並不複雜,啤酒其實就是二氧化碳過飽和水溶液,也就是說,溶解在啤酒中的氣體體積遠高於正常氣溫及氣壓所能溶解的氣體體積,所以大量泡沫的產生就是過飽和的二氧化碳拼命往瓶口衝造成的現象。

但是事情沒有這麼簡單!羅德里格斯認為,照理說啤酒應該會在一瞬間就衝出瓶口,但卻多花了幾秒鐘的時間,其中一定有奧妙。為了找出背後原因,他和其他兩個人使用高速攝影捕捉啤酒瓶口受到敲擊後的動靜,這兩人分別是卡洛斯三世大學的學生卡薩多·查孔(Almudena Casado-Chacón)以及巴黎第六大學(Pierre and Marie Curie University)的流體力學家丹尼爾·福斯特(Daniel Fuster)。

Credit: Svartling

Credit: Svartling

他們觀察到爆發前的三個階段:首先氣泡在一開始的0.2毫秒迅速增加,對瓶口的拍打造成壓縮波沿玻璃瓶身向下傳遞到瓶底,反射之後在啤酒中形成膨脹波,膨脹波的瞬間擠壓讓氣泡變大,並破裂成幾百萬個更微小的氣泡;然後這些小氣泡在第二階段迅速變大,雖然體積不變,但大量增加的表面積讓二氧化碳在液體中迅速擴散,他們利用脈波雷射做出比較容易控制的氣泡雲,發現氣泡的直徑在幾毫秒內就增加了十倍,接著,隨著氣泡吸飽周圍的二氧化碳,氣泡雲的成長速度就慢慢緩和下來;第三階段在短暫的片刻後發生,過了o.1秒,充滿浮力的氣泡雲開始從液體裡出現,形成如菸圈般的渦旋環,旋渦扯進了更多的過飽和溶液,成為對流,氣泡變大的速度比之前自催化(autocatalytic)的過程還快,一秒內,瓶口就湧現啤酒噴泉!研究結果發表於《物理評論快報》(Physical Review Letters)。

西班牙賽維利亞(Seville)大學的力學工程師戈迪略(José Manuel Gordillo Arias de Saavedra)說:「他們確實發現到不同的階段,而且用了簡易的物理學來解釋。換作其他人,也許只會用電腦模擬解決問題,所以有時候仔細思考問題還是比較好的做法。」

Lake Nyos Jack Lockwood, USGS

Lake Nyos Jack Lockwood, USGS

戈迪略補充,這項研究對地球物理現象或許有更廣的含義,例如尼歐斯湖(Lake Nyos),一座位於喀麥隆休火山山側的火山口湖,在1986年8月21日釋放大量二氧化碳造成一千七百人窒息,這場災難可能起因於湖底塌陷,而這可能跟啤酒自催化的過程有關。

羅德里格斯也說,啤酒發泡的物理學或許也會影響碳封存的計劃,包括隔離火力發電廠排出的二氧化碳,將其藏在地下岩層以減緩全球暖化。他強調這個議題將是他之後的研究方向,雖然確切發生的可能性還不知道,不過「讓世人知道當瞬變現象(transient)發生時會發生的狀況,就是一種的貢獻。」而這個啤酒實驗就提出,突發的瞬變現象將徹底打亂地底貯存的計劃,並可能導致嚴重氣體外洩。

一個簡單的啤酒實驗就延伸出這麼多新的點子,是不是很很值得來杯啤酒慶祝呢!

(影片來源:Almudena Casado-Chacón/馬德里卡洛斯三世大學)

參考資料:

Tapping into the science of the beer volcano [Science. 12.11.2014]

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活躍星系核

活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。