文丨小志一直说
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前言
火山喷发的爆炸性取决于上升岩浆中以气泡形式存在的气体量。聚结过程根据称为毛细管数的无量纲数分为毛细管和生长主导区域。随着气泡生长速率和液体粘度的增加，标准化排水时间尺度增加。较长的排水时间尺度可能会增加渗流阈值并抑制多孔岩浆的释气。
即使是像玄武岩岩浆这样的低粘度岩浆，如果在火山管道中迅速减压，也可以在没有气体损失的情况下爆炸式喷发。
火山碎屑气泡凝结
正如打开时充分摇匀的可乐会爆炸性地溢出一样，火山爆发是由减压相关的岩浆气泡驱动的。岩浆中以气泡形式存在的气体量控制液气混合物的体积密度、体积粘度和碎裂准则。
为了重建难以直接观察的地下气泡，火山学家开发了间接方法。其中一种方法是分析火山喷发碎屑中的气泡，这些气泡以前是上升岩浆中的气泡。。囊泡大小分布也用于推断成核和聚结事件的性质和压力的时间变化。
在分析火山碎屑中的囊泡结构时，应该记住它们是气泡成核、气泡生长和气泡合并的复杂序列的时间积分产物。人们一直在努力将聚结模型与现有的成核生长模型相结合。
气泡聚结在爆炸喷发式喷发方式的转变中也起着重要作用。喷发的爆炸性取决于限制在岩浆中的气相量。由气泡聚结形成的可渗透气泡网络可以帮助气体逸出并防止岩浆爆发性喷发。
气泡合并大致分为三个阶段。一种是在外力或内力的影响下气泡之间的距离缩短的接近阶段。第二个是排水阶段，其中气泡之间的液膜排出直到达到临界厚度，此时由于范德华力而出现不稳定性。第三个是松弛阶段，由于表面张力，不规则形状的气泡松弛成球形。因为聚结是气泡之间液膜排水的结果，排水阶段的动力学对聚结的时间尺度给出了基本约束。
薄膜引流
气泡的聚结在气泡柱、聚合物泡沫形成、面团发酵和火山喷发等多个领域无处不在。纯液体中的气泡界面有望完全移动。薄膜内的速度分布应对应于活塞流，减少排水时间尺度。
薄膜排水的动力学取决于粘度和减压时间尺度。第一个目标是确定薄膜排水的开始并缩放当时的薄膜厚度。然后使用薄膜界面处的力平衡开发了薄膜厚度方程。
忽略重力对薄膜排水的影响，这种简化似乎与气泡上升到3毫米的典型结果背道而驰，比薄膜厚度大得多。两个泡沫以几乎相同的速度一起上升，相对位置几乎没有变化。两个气泡平行于地面注入，哪怕气泡的大小稍有不同，也会微微上下滑动。这种垂直位移不会改变气泡之间的薄膜厚度。
薄膜排水开始的定义对于推导排水时间尺度至关重要，因为它预计明确取决于初始薄膜厚度，
与剪切场中的气泡形状一样，膜的几何形状受作用于气泡界面的粘性力与毛细管力之间的竞争控制。在气泡生长的情况下，气泡生长引起的粘性力与毛细管力之间的相互作用已使用毛细管数Ca进行了评估。
气泡界面从球形变为扁平形状，具体取决于毛细管数。为了推导薄膜厚度方程，评估两种极端气泡几何形状下的流体动力应力的顺序：球形和完全扁平。
不仅要考虑在薄膜排水过程中保持完全球形的两个不断增长的气泡，还考虑两个带有完全扁平薄膜的生长气泡。与Hele-Shaw池中的聚结相比，薄膜上的恒定压力是三维聚结的一个对比特征，薄膜内部的压力从中心到末端变化。
通过假设球形气泡或完全扁平的气泡来推导出压力和粘性应力的尺度。不断增长的气泡实际上并没有这些极端的形状。
无论胶片几何形状如何。这里，h是两个气泡界面之间的最小距离，C是一个常数。
气泡内的压力由表面张力和粘性阻力项组成。硅油的hf值也可以通过经验参数C1和C2来验证，这些参数的可靠性可以使用理论排水率来检查，它独立于hf。
将测得的排水率与两个理论率进行了比较。测得的排水率首先遵循，但随着接近标称条件而逐渐偏离。
当薄膜达到约30μm的厚度时，由于光路复杂，薄膜看起来更暗，薄膜减薄率被高估。除最后几十秒外，实验排水速率与基于hf的理论速率非常吻合1微米。
根据毛细管数，生长气泡的聚结分为毛细管主导和生长主导两种状态。
由于岩浆的粘度随着溶解的H2O的外溶而增加，并且气泡向碎裂深度加速生长，毛细管数在几个数量级上变化，特别是普林尼式喷发。Ca的范围也因喷发方式而异。碎裂深度处的最大毛细管数量范围为10-1至103。
对应排水时间刻度从大约1增加到4。聚结时刻的气泡尺寸比标称条件下的气泡尺寸大2-5倍。夏威夷喷发中的气泡很容易合并，普林尼火山喷发中的气泡在合并之前需要显着膨胀。普林尼式喷发对聚结的强大抵抗力可以提高渗透阈值，并解释为什么它在没有脱气的情况下爆炸性喷发。我们的模型成功地解释了为什么快速减压和加热会增加渗滤阈值。
Ca的影响
聚结的阻力控制着岩浆中气泡和火山碎屑中气泡的形状。在Ca处对聚结有很强的粘性阻力＞1在气泡之间形成一层平膜，这通常存在于爆炸性喷发的火山碎屑的囊泡结构中。
一个关键发现是粘性阻力取决于气泡生长速率和熔体粘度。通过莫桑石细胞观察到气泡的生长，气泡在它们聚结之前一直保持球形，然后在它们相互接触的那一刻聚结。相反，在Browning等人的实验中。
用热台显微镜观察流纹岩熔体的气泡形成，气泡大部分变平，几乎没有聚结。因为两个实验都使用高粘度硅熔体，所以很难仅用1.7log单位的熔体粘度差异来解释气泡形状的这种巨大差异。在两个实验中观察到的不同行为可以用气泡生长。
气泡形状对增长率的依赖性有助于理解喷发内囊泡结构的变化。如果假设火山管道中存在泊肃叶流，则穿过管道的大减压率梯度会产生具有不同气泡增长率的岩浆块。由不同值引起的Ca的变化。
生长驱动的聚结也控制着膨胀岩浆的气泡数密度。随着粘度和减压速率的增加，在30MPa下淬火的样品具有更大的数密度N。N的变化反映了气泡聚结的阻力。气泡的聚结降低了它们在低粘度和缓慢减压下的数密度。
两个大小相同的气泡一起上升。两个浮力驱动的气泡的相对运动由气泡半径的比率以及邦德数控制。未来应研究气泡尺寸比对聚结过程的依赖性。气泡大小的比例也增加了气泡间的压力梯度，导致形成凹坑结构。对于Ca＜1，这种几何特征可能很明显，其中拉普拉斯压力决定了气泡内的压力。
近似无限空间中的气泡聚结没有来自附近多个气泡的相互作用。随着孔隙率的增加，与其他气泡的相互作用可能在岩浆中占主导地位。
晶体会增强气泡聚结并降低渗滤阈值。虽然这些效应对于像Vulcanian事件中的浮石这样的富含晶体的火山碎屑很重要，但对纯液体中的薄膜排水的研究对于结晶贫乏的火山碎屑和无晶体实验样品仍然是必不可少的。
结论
以研究两个生长气泡的合并成功地通过毛细管数Ca进行了缩放，在气泡界面上的粘性应力与毛细管应力之间的相互作用。使用标称条件，获得作为Ca函数的标称膜厚度的经验方程。
缩放分析还提供了在广泛的Ca值范围内的排水时间尺度，并确定了毛细管主导的制度和生长主导的制度。由Ca缩放的排水时间尺度有助于了解减压岩浆中气泡形状和数量密度的发展情况。
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