滴流理論:簡化模型為雨滴如何形成提供新解釋

一項新研究得出結論,雨滴最終狀態的形成歸功於大氣阻力,大氣阻力會使雨滴破碎

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藉助高速錄影技術,兩位研究人員可能已經解開了雨滴如何在雲層和地面之間形成形狀的謎團。

傳統的觀點認為,雨滴的形成是由於與其他雨滴多次碰撞和合並以及使雨滴破碎的大氣阻力所產生的力造成的;這些相互作用導致雨滴在到達地面時呈現出各種尺寸。但根據法國普羅旺斯大學的物理學家埃馬紐埃爾·維勒莫的說法,碰撞和合並最終並非等式的重要組成部分——塑造雨滴的關鍵因素是單個雨滴的阻力引起的破碎,而不是它們之間的相互作用。

維勒莫是發表這些發現的論文的第一作者,該論文於今日在《自然·物理學》網站上線上發表。(《大眾科學》是自然出版集團的一部分。)

維勒莫解釋說:“普遍的看法是,一旦非常小的液滴在雲層內部聚集,” 它們就會形成足夠大的團塊從雲層中落下。“這些團塊在落向地面時,會與鄰近的團塊相互作用,進行某種聚集過程,從而形成雨水降落時尺寸的分佈。”

他說,問題在於,這些相互作用不太可能發生在雨水降落的相對空曠的空域中。“一旦雨滴離開雲層,它們在空氣中就非常稀疏,不太可能發生如此多的相互作用,”他說。“從雲層底部到地面,它們的碰撞頻率不足以發生許多相互作用。”

維勒莫和當時的畢業研究生本傑明·博薩用高速攝像機跟蹤了下落的水滴[見下方影片],逐幀分解了從雨滴到小水滴的演變過程。為了加速通常在漫長的自由落體中發展的過程,維勒莫和博薩將他們模擬的雨水釋放到向上的逆流空氣中。

由於空氣施加的阻力,雨滴變平,有時形成延伸的細絲,隨後細絲破碎成更小的雨滴,有時膨脹成倒扣的袋狀,然後破裂成無數碎片。

單個雨滴的變形和隨之而來的破碎產生了一系列更小的液滴,這些液滴的尺寸分佈與地面自然降雨中發現的尺寸分佈相同,這表明單個雨滴的崩解在決定液滴的最終狀態中起著關鍵作用。

維勒莫說:“一旦你理解了發生在單個孤立雨滴尺度上的事情,而無需考慮與鄰近雨滴的任何相互作用,你就會意識到,定量而言,破碎雨滴的碎片產物代表了雨水中的統計內容。” “因此,相互作用機制對於解釋雨水的統計內容來說不是必需的。這是關鍵的觀察結果。”

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