雨滴是如何落下？空中爆裂成小水珠(圖)

雨滴是如何落下？空中爆裂成小水珠。(網路圖片)

一百年前一個農夫的巧思，而引發兩位科學家對雨滴是如何落下，做出一項漂亮的工作。

法國科學家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的如此複雜；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，他們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？