雨滴是如何落下?空中爆裂成小水珠。(网路图片)

一百年前一个农夫的巧思,而引发两位科学家对雨滴是如何落下,做出一项漂亮的工作。

法国科学家提出一个优雅的模型,说明只要一颗水滴就足以产生一阵细雨,这正是具体而微真正降雨的缩影。在此之前科学家都以为,从地面所见到下雨的型式,是雨滴落下时互相撞击所造成的。

法国埃克斯马赛大学的流体力学家菲也默(Emmanuel Villermaux) 和一位研究生波萨(Benjamin Bossa)拍摄了小水滴从水龙头滴下的过程,看看水珠落下时究竟发生了什么事。

随著水珠加速下坠,空气阻力也越来越大,直到超过使水珠聚集成一滴的凝聚力时,水珠就爆裂成一阵更小的细雨。

但是菲也默说,要观察到这个现象,「实验至少要在十公尺的高空进行,一般实验室可没这么高。」所以他和波萨由下往上吹气,以增加水滴落下受到的空气阻力,意思是这么一来水滴就会在更短的距离内分裂。

科学家一直都知道,水滴在静止的空气中落下,会先变扁平成为煎饼状,再变形往上翻成碗状,最后才爆裂成更小的水珠。

菲也默和波萨研究这些形状的变化,佐以他们的实验观察,将水滴爆裂的现象连结到一阵雨的雨滴大小分布。他们的模型发表在《自然物理》期刊上,论文证明了一颗水滴爆炸就足以解释雨滴的大小分布。

历史的教训

引发菲也默研究雨滴兴趣的是一位佛蒙特州的农夫班特利(Wilson Bentley)。距今一百多年前,班特利准备了许多盘子,上面洒了一层薄薄的面粉,下雨天时他将这些盘子留到外头很短的一阵子,然后测量盘子上被打湿的面粉团块,如此就记录了雨滴的大小和数量。

「他没有我们的高速摄影机,但他很聪明。」菲也默说,「他是史上第一个注意到下雨时,为什么雨滴不是只有一种大小,而是有一个分布的大小?」

这个尺寸分布和雨势强弱大有相关。六十几年前加拿大蒙特罗麦基尔大学的马叟(Stewart Marshall)和帕尔玛(Walter Palmer)已经做过测量,指出强阵雨的雨滴尺寸分布较广,绵绵细雨的尺寸分布较小。菲也默和波萨的研究重现马叟-帕尔玛分布模式,也要回答班特利的问题。

其实答案并不如科学家所想的如此复杂;造成尺寸分布的机制,只要考虑单一水珠在空气中落下的动力学就行了。一颗水珠从云层下落到它分散成小滴所花的时间,通常比两颗水珠在云层里相撞还要短。

英国布里司托大学的流体力学专家艾格斯(Jens Eggers)说,他们原先以为这个现象非常复杂,会有许多实验上互相牵涉的关联纠葛。没想到他们只用几个物理想法,就能如此漂亮地解释整个实验关系;「平均雨滴尺寸和雨势强度的关连直截了当,放诸四海皆准。」

纽约布鲁克海文国家实验室的刘燕刚认为,这个研究工作真是让人耳目一新,不过还有很多未知之处。比方说,表面降雨量有一部分从雪花融化而来,也就是说我们观察到的雨滴尺寸分布包含了这一部分。他问道,菲也默和波萨的理论要如何能同时解释这类降雨呢?

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