グラスを伝って流れる「ワインの涙」は衝撃波によって生まれているのかもしれない

by chispita_666

ワインを注いだグラスを軽く回した後、ワインの液滴がグラスの内側を上昇してから涙のように流れる、という現象が繰り返される様子を観察できます。「ワインの涙」と呼ばれるこの不思議な現象の正体について、UCLAの数学・工学・航空力学教授であるAndrea Bertozzi氏がアメリカ物理学会の2019年次物理学会議で、「ワインの涙の形成には特殊な衝撃波が関わっている」という、これまでの定説を覆すような発表を行いました。

APS -APS March Meeting 2019 - Event - Tears of wine and shock dynamics
http://meetings.aps.org/Meeting/MAR19/Session/E56.12

Why is your wine crying? Scientists say shock waves likely play a role | Ars Technica
https://arstechnica.com/science/2019/03/why-is-your-wine-crying-scientists-say-shock-waves-likely-play-a-role/

実際にワインの涙がどんな現象なのかは以下のムービーを見るとよくわかります。

Marangoni Effect: Tears of Wine (and Rum) - YouTube


グラスの内側を伝って吸い上げられるように上昇したワインは、一定量がたまると液滴となって、重力に従い流れ落ちます。グラスを横から見ると、ワインはまさに涙のように流れ続けます。

ワインの涙に関する研究は古くから存在していて、1855年にイギリスの物理学者であるJames Thomsonがワインの涙に初めて注目した科学者だといわれています。多くの物理学者が「なぜワインの涙が生まれるのか」という問いに150年以上挑戦してきた結果、「ワインの涙はマランゴニ対流という物理現象が原因」というものが現代の定説となっています。

マランゴニ対流とは、温度の違いなどによって液体の表面張力が変化することによって生まれる流れのこと。一般的に温度の高いところでは表面張力は小さくなり、温度の低いところでは表面張力が大きくなります。そのため、表面張力の釣り合いが崩れ、「温度の高いところから冷たいところに液体が流れる」という現象が起こります。

身近な現象でこのマランゴニ対流が関わっているといわれているのが「コーヒーリング効果」です。この効果は「こぼれたコーヒーが乾くと、コーヒーの輪郭だけ色が濃くなる」という現象で、マランゴニ対流によって外周部にコーヒーの粒子が集まって乾燥してしまうために起こると考えられています。

by Jacob Gube

ワインは基本的に水とアルコールで構成されています。毛細管現象によってワインはグラスの内側に付着したワインに沿って液面よりも上へ上昇しますが、アルコールは蒸気圧が水よりも高いため、グラスの内側に付着したワインとグラスにたまっているワインの濃度に差が生まれ、マランゴニ対流によってワインがグラスの内壁に沿って上に上っていく流れが発生します。そして、一定量を超えると自重によって液滴となって流れたものがワインの涙であるという説が、現代の主流な考え方です。

by Gabriela Gordon

しかし、近年の研究によって、マランゴニ対流だけではワインの涙の形成を説明できない問題が浮上してきたそうです。例えば2015年の調査では、重力や室温、アルコールの蒸発による気化熱もワインの涙の形成に大きく影響を与えることが判明したとのことで、力が弱いマランゴニ対流だけでは、ワインが重力の影響を振り切ってグラスの内壁を上る現象を説明するのは不十分だということがわかってきたそうです。

そこでBertozzi氏は、ガラスプレート上にシリコンオイルを滴下し加熱した時の様子を観察しました。加熱されたオイルの上面は冷たく、下面は温かくなりますが、この時にプレートの上でオイルの小さな波が発生している様子が確認されたそうです。Bertozzi氏はこの波を「低圧縮衝撃波」と呼び、これこそがワインの涙を形成するための重要な要素であると論じています。

Bertozzi氏によると、この衝撃波は表面張力の勾配によって発生しているとのこと。仮説を検証するために、Bertozzi氏率いる研究チームはマティーニグラスにポートワインを注ぎ、65度の傾斜を付けた状態で観察しました。その結果、プレート上のシリコンオイルと同じ波が、グラスの内側のワイン上に伝わっていった様子が確認でき、最終的にワインの涙も観察されたそうです。

by fs999

「私たちは重力にあらがってプレートの上を移動する異常な波を作ることができました。ワインの涙が観察された時、この低圧縮衝撃波がその形成に大きな影響を与えていると我々研究チームは考えています」とBertozzi氏は語り、ワインの涙の裏にどれだけ複雑な力学が関係しているのかを調べるため、さらなる実験を重ねる予定だと述べました。