Jak se tvoří mořská pěna?

Slaná mořská voda snadno tvoří pěnu - na rozdíl od sladké vody v jezerech a řekách. Proč tomu tak je - a co má s pěnou společného fyzika? (délka blogu 3 min.)

Na první pohled by se mohlo zdát, že za pěnu na mořském břehu mohou vlny, které se neustále tvoří na moři. Důvod je ale jiný. Dokonce ani v řece, na které se tvoří větší množství vln, se totiž pěna u břehu neudrží. Na vině je samozřejmě - jako tak často … fyzika.

Vědci identifikovali jeden zásadní rozdíl mezi slanou a sladkou vodou. Ten je také důvodem tvorby pěny na mořském břehu. Je jím rozdílná koncentrace elektrolytů - tedy volných iontů, které jsou ve vodě obsaženy, což asi nikoho nepřekvapí. 

Zajímavý je ale způsob, jakým volné ionty přispívají ke stabilitě bublinek ve vodě. Jejich působením totiž dochází ke zpomalení odtékání vody na “hrázi” mezi dvěma jednotlivými bublinkami. 

Doba, za kterou se dvě malé bublinky spojí, je ve slané vodě několikrát delší než u vody sladké. Jinými slovy - tenký film, který se vytváří mezi dvěma bublinkami vzduchu, je ve slané vodě stabilnější. Zpočátku se sice ztenčuje podobně jako ve sladké vodě, ovšem pouze do okamžiku, kdy jeho tloušťka dosáhne kolem 40 nanometrů. Pak se u slané vody zpomaluje splynutí dvou bublinek o 2 až 14 milisekund - záleží přitom na typu samotných iontů a velikosti bublinky. 

Když tloušťka filmu mezi dvěma bublinkami klesne na 30–50 nm, projeví se rozdíl v koncentraci elektrolytu mezi filmem a zbytkem (objemem) tekutiny. Tento jev zase vyvolává Marangoniho efekt, který vědci už dávno znají - vytváří se malý rozdíl v povrchovém napětí tekutiny a následně se tu objevuje síla, která zpomaluje tok kapaliny z filmu směrem ven.

Marangoniho efekt

… vysvětluje pohyb kapaliny podél fázového rozhraní mezi kapalinou a plynem. Z místa s nižším mezifázovým napětím se pohybuje kapalina směrem do míst s vyšším mezifázovým napětím. Rozdíl povrchového napětí se může vytvořit například při rozdílných lokálních teplotách systému - v místech s nižší teplotou se pak nachází vyšší povrchové napětí (povrchové napětí kapalin s teplotou klesá), což vyvolává proudění povrchových vrstev kapaliny do těchto míst. U vícesložkových systémů může být tento rozdíl povrchového napětí vyvolán různými lokálními koncentracemi v ní rozpuštěných sloučenin, způsobenými rozdílnou rychlostí vypařování jednotlivých složek směsi.

Marangoniho efekt ale nepomáhá stabilizovat jen pěnu na mořské vodě. Jiným příkladem jsou například i „slzy“ tvořící se na stěnách sklenice s roztokem alkoholu. Ten smáčí stěny sklenice. Alkohol se z roztoku na stěnách odpařuje a koncentrace roztoku zde klesá a povrchové napětí roztoku roste. Rozdíl povrchových napětí roztoku na stěně a na hladině roztoku ve sklenici způsobí vzestup kapaliny po stěně. Jakmile převáží gravitace nad povrchovými silami, vydá se kapka znovu dolů a celý proces se může opakovat.

Zdroj: B. Liu et al., “Nanoscale transport during liquid film thinning inhibits bubble coalescing behavior in electrolyte solutions,”Phys. Rev. Lett. 131, 104003 (2023).