海上的泡沫

大风天我在马盖特。二月的风刺骨，海水被搅成泡沫，看起来就像洗衣盆里的泡沫。这些泡沫碎片被吹到沙滩上，在悬崖脚下涂满了泡沫，就像刚用洗涤剂擦洗过一样。

在北欧寒冷的海滩上，这是一个足够熟悉的景象，但也令人费解。淡水即使在紧急搅拌时也不会产生泡沫，而海水似乎能够产生那种通常需要表面活性剂来降低表面张力并保持气泡的泡沫。令人惊讶的是，很难解释为什么会这样，答案现在才开始浮出水面。

一撮盐

一般来说，海水表面不会积聚足够的有机物质来充当稳定气泡的表面活性剂。它的气泡和泡沫的相对稳定性来自于溶解的盐。然而，从表面上看，盐的作用应该是相反的。这源于胶体稳定性的标准理论——derjaguin - landau - vervey - overbeek理论——该理论考虑了作用于胶体颗粒(包括气泡)之间的各种力。

分散力是吸引的-但在普通的水暴露在空气中，溶解的CO₂生产HCO_3.^{- - - - - -}优先聚集在空气-水界面的离子。由此产生的带负电荷的气泡之间的静电斥力超过了它们的吸引力，气泡合并的速度很慢。然而，溶解的盐会过滤掉这些电荷，从而促进气泡的合并。¹

基于这些理由，海水的泡沫应该比淡水少，而不是多。然而，自1929年以来，人们就知道电解质有时会减缓气泡的聚结。这是怎么呢

泡沫问题

不同之处在于气泡相互快速接近——就像它们在被风吹得发狂的海水中那样——与气泡以悠闲的速度聚集在一起的行为完全不同。交叉发生在接近速度约10 μ m/s时，反映了聚结机制的变化。以色列理工学院的Yael Katsir和Abraham Marmur已经证明，对于“准静态”气泡，它完全取决于上述表面力的平衡。¹为了更快地实现“动态”合并，气泡合并的障碍可能会被气泡本身的动能所克服——就像原子核在动能超过带正电的原子核之间的静电斥力时融合成更重的元素一样。这种差异解释了为什么气泡合并的各种实验给出了不同的，有时似乎相互矛盾的结果;这完全取决于你使用的技巧。

在这种情况下，为什么盐会使气泡更难融合呢?在这里，事情变得非常复杂，尽管答案澄清了过去20年来困扰我的一个问题。1993年，在自然，我处理了堪培拉澳大利亚国立大学(Australian National University)著名胶体科学小组的一篇有趣的论文，研究了盐对气泡合并速度的影响。²他们发现盐的聚结速率与盐的类型有一种奇怪的依赖关系，这取决于阴离子和阳离子的特定组合。离子似乎有两种类型，研究人员将其命名为a和ß;只有aa和ßß型电解质(如氯化钠)减缓动态气泡聚结;Aß-type电解质(例如盐酸)没有。因此，这些观察结果加入了对溶质和胶体稳定性的“离子特异性”效应的广泛目录，包括对蛋白质溶解度的著名的霍夫迈斯特效应。

稳定的海洋

Katsir和Marmur现在给出了一个解释。^3.这一切都归结于所讨论的离子在空气-水界面上的分离程度:一种长期以来被认为是离子特异性的效应。当两个气泡快速挤在一起时，表面过量的离子被横向推开——而且，根据表面浓度的不同，这可能会产生正离子和负离子的动态分离，然后可能会诱导静电气泡排斥。更复杂的是，细节取决于分离气泡的液体薄膜的几何形状:它是很大程度上是平的，就像由许多气泡组成的泡沫，还是很大程度上是弯曲的，就像两个单独的气泡相互靠近。结果是，这些影响可以解释搅拌电解质溶液中气泡稳定的离子特异性。

Marmur和他的同事们最近证实，同样的解释也适用于将盐水喷射到相同溶液的浴缸中，这模拟了大风肆虐的大海中波浪破碎的过程。不仅仅是海滩漫步者需要注意这一点。破浪过程中气泡的形成和合并也是气体和颗粒在空气和海洋之间转移的核心:吸收CO₂以及盐颗粒的释放，最终可能为云的形成埋下种子。换句话说，这也是一个关于气候的故事。

菲利普球是一位生活在英国伦敦的科学作家