雨滴如何落下

法国科学家最近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。

随着水珠加速下坠，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得如此复杂；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，他我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，表面降雨量有一部份从雪花融化而来，也就是说我们观察到的雨滴尺寸分布包含了这一部份。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？