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借助高速录像技术,两位研究人员可能已经解开了雨滴如何在云层和地面之间形成形状的谜团。
传统的观点认为,雨滴的形成是由于与其他雨滴多次碰撞和合并以及使雨滴破碎的大气阻力所产生的力造成的;这些相互作用导致雨滴在到达地面时呈现出各种尺寸。但根据法国普罗旺斯大学的物理学家埃马纽埃尔·维勒莫的说法,碰撞和合并最终并非等式的重要组成部分——塑造雨滴的关键因素是单个雨滴的阻力引起的破碎,而不是它们之间的相互作用。
维勒莫是发表这些发现的论文的第一作者,该论文于今日在《自然·物理学》网站上在线发表。(《大众科学》是自然出版集团的一部分。)
维勒莫解释说:“普遍的看法是,一旦非常小的液滴在云层内部聚集,” 它们就会形成足够大的团块从云层中落下。“这些团块在落向地面时,会与邻近的团块相互作用,进行某种聚集过程,从而形成雨水降落时尺寸的分布。”
他说,问题在于,这些相互作用不太可能发生在雨水降落的相对空旷的空域中。“一旦雨滴离开云层,它们在空气中就非常稀疏,不太可能发生如此多的相互作用,”他说。“从云层底部到地面,它们的碰撞频率不足以发生许多相互作用。”
维勒莫和当时的毕业研究生本杰明·博萨用高速摄像机跟踪了下落的水滴[见下方视频],逐帧分解了从雨滴到小水滴的演变过程。为了加速通常在漫长的自由落体中发展的过程,维勒莫和博萨将他们模拟的雨水释放到向上的逆流空气中。
由于空气施加的阻力,雨滴变平,有时形成延伸的细丝,随后细丝破碎成更小的雨滴,有时膨胀成倒扣的袋状,然后破裂成无数碎片。
单个雨滴的变形和随之而来的破碎产生了一系列更小的液滴,这些液滴的尺寸分布与地面自然降雨中发现的尺寸分布相同,这表明单个雨滴的崩解在决定液滴的最终状态中起着关键作用。
维勒莫说:“一旦你理解了发生在单个孤立雨滴尺度上的事情,而无需考虑与邻近雨滴的任何相互作用,你就会意识到,定量而言,破碎雨滴的碎片产物代表了雨水中的统计内容。” “因此,相互作用机制对于解释雨水的统计内容来说不是必需的。这是关键的观察结果。”