法國科學家最近提出一個優雅的模型,說明只要一顆水滴就足以產生一陣細雨,這正是具體而微真正降雨的縮影。在此之前科學家都以為,從地面所見到下雨的型式,是雨滴落下時互相撞擊所造成的。
法國埃克斯馬賽大學的流體力學家菲也默(Emmanuel Villermaux) 和一位研究生波薩(Benjamin Bossa)拍攝了小水滴從水龍頭滴下的過程,看看水珠落下時究竟發生了什麼事。
隨著水珠加速下墜,空氣阻力也越來越大,直到超過使水珠聚集成一滴的凝聚力時,水珠就爆裂成一陣更小的細雨。
但是菲也默說,要觀察到這個現象,「實驗至少要在十公尺的高空進行,一般實驗室可沒這麼高。」所以他和波薩由下往上吹氣,以增加水滴落下受到的空氣阻力,意思是這麼一來水滴就會在更短的距離內分裂。
科學家一直都知道,水滴在靜止的空氣中落下,會先變扁平成為煎餅狀,再變形往上翻成碗狀,最後才爆裂成更小的水珠。
菲也默和波薩研究這些形狀的變化,佐以他們的實驗觀察,將水滴爆裂的現象連結到一陣雨的雨滴大小分布。他們的模型發表在《自然物理》期刊上,論文證明了一顆水滴爆炸就足以解釋雨滴的大小分布。
歷史的教訓
引發菲也默研究雨滴興趣的是一位佛蒙特州的農夫班特利(Wilson Bentley)。距今一百多年前,班特利準備了許多盤子,上面灑了一層薄薄的麵粉,下雨天時他將這些盤子留到外頭很短的一陣子,然後測量盤子上被打濕的麵粉團塊,如此就記錄了雨滴的大小和數量。
「他沒有我們的高速攝影機,但他很聰明。」菲也默說,「他是史上第一個注意到下雨時,為什麼雨滴不是只有一種大小,而是有一個分布的大小?」
這個尺寸分布和雨勢強弱大有相關。六十幾年前加拿大蒙特羅麥基爾大學的馬叟(Stewart Marshall)和帕爾瑪(Walter Palmer)已經做過測量,指出強陣雨的雨滴尺寸分布較廣,綿綿細雨的尺寸分布較小。菲也默和波薩的研究重現馬叟-帕爾瑪分布模式,也要回答班特利的問題。
其實答案並不如科學家所想得如此複雜;造成尺寸分布的機制,只要考慮單一水珠在空氣中落下的動力學就行了。一顆水珠從雲層下落到它分散成小滴所花的時間,通常比兩顆水珠在雲層裡相撞還要短。
英國布裡司托大學的流體力學專家艾格斯(Jens Eggers)說,他我原先以為這個現象非常複雜,會有許多實驗上互相牽涉的關聯糾葛。沒想到他們只用幾個物理想法,就能如此漂亮地解釋整個實驗關係;「平均雨滴尺寸和雨勢強度的關連直截了當,放諸四海皆准。」
紐約布魯克海文國家實驗室的劉燕剛認為,這個研究工作真是讓人耳目一新,不過還有很多未知之處。比方說,表面降雨量有一部分從雪花融化而來,也就是說我們觀察到的雨滴尺寸分布包含了這一部分。他問道,菲也默和波薩的理論要如何能同時解釋這類降雨呢?
来源:知識通訊評論
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