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用物理学的角度解析雨水

来源:外空生物学 余生 浏览 181 次 发布时间:2021-11-08

形成「雨」的物理过程


这几天我居住的城市·阳江天空的颜色总是暗灰色,有时甚至下起「雨」来,相约好的野外聚餐活动就这样“泡汤”了,烦人的天气总能让人有一种不舒服的感觉,俗话说:“燕子低飞麻雀叫,蚂蚁搬家蛇过道,水缸穿裙山带帽,就是大雨要来到。”今天我就来给大家聊聊「雨」。


以水滴的形式从高空云中降落到地面的水,称之为「雨」。形成「雨」的物理过程,可以分为三个步骤:


1.当海洋表面、陆地表面以及空气中的水遇热后出现了蒸发的现象,从而使得水变为了另一种形态,此时水的形态是气态的,即·水蒸气。


2.当水蒸气上升到某个高度的临界点时会遇到冷空气,水蒸气会发生凝固的现象,从而使得水变为了另一种形态,此时水的形态是固态的,即·小水滴。


3.当小水滴数量足够多的时候就聚积组成了云,小水滴在云里来回地相互碰撞,有些小水滴会溶合成体积更大的大水滴,然而大体积的水滴此时的质量是大于空气质量的,此时空气是没有力量能够把水滴停留在大气中,因此水滴会在万有引力的作用下挣脱云的束缚从天而降,降下来的水就是「雨」了。

图解:雨水形成的过程示意图


总结·形成「雨」的物理过程:


水(蒸发)→水蒸气(上升)→小水滴(凝固)→大水滴·云(溶合)→雨(下降)

图解:雨水形成的过程示意图


「雨」主要依靠两个手段来增大体积


所谓的「雨」,它所展现的形态可以说是千种百样,而且都各具有自己的特色。比例细如牛毛的毛毛细雨,有“下个不停”连绵不断的阴雨以及水淹大地倾盆而下的阵雨。雨水是自然界中动、植物以及一切有生命迹象生命体必需的淡水资源,植物在要雨水滋润下才能够发育茁壮成长,然而大暴雨造成的洪水也会给地球带来巨大的灾难。


小水滴的直径都很小只有0.0001~0.0002毫米,它们直径不仅小同时体积也很小、质量也很轻,因此它们才会被空气中的上升气流拖拽到高空中并聚积凝成了云,但是这些直径只有0.0001~0.0002毫米的小水滴想要溶合变成大水滴落降落到地表上,则意味着它们的直径要增大到原来的100多万倍。


●那么直径只有0.0001~0.0002毫米的小水滴是如何把自己的直径增加到100多万倍以上的呢!主要依靠两个手段:


第一个手段:增加水滴的凝结和凝华


在雨滴形成的早期时间段里,云主要是通过不断吸积周围区域的水蒸气来凝结和凝华成更大体积的云,假如云体内的水气能(水蒸气)可以源源不断地得到供应和补给,在这种条件下云的表面经常是处于过饱和状态中的,因此这种凝结的过程将会一直持续下去直到凝结成体积更大的雨滴。但是有的时候云层的内部水气含量是极其有限的,在同一块云里水气常常是处于供不应求的现象,因此就不会出现导致每一个云滴都会增大为体积较大的雨滴,体积较小的云滴只能溶合到较大的云滴中去。


假如当云处于水滴与冰晶颗粒共存的情况下,凝结和凝华增大的过程将会大大地加快:


当云滴增大到一定程度时,因为大云滴的体积和重量不断增加,因此大云滴在下降的过程中不仅速度能够超越体积小、下降速度较慢的小云滴,而且在下降的时候还会吞并同一直线中超越时所遇到的小云滴,大云滴吞并了小云滴之后,它的体积也就越来越大,一旦体积大到空气也束缚不住它们时,大云滴就会从云中向着地表直线下降成为我们常见的「雨水」。

图解:水滴的凝结和凝华


第二个手段:增加雨滴之间碰撞的速度使得水滴有更快的速度溶合成体积大的水滴


雨滴本身是具有电荷的,正是因为它们自身携带的正、负电荷导致雨滴之间会出现相互碰撞从而发生结合现象,这是雨滴体积会增大的一个原因。



「雨」不是始终保持着单一形态的


大雨滴的下降速度一定是比小雨滴的下降速度快,这就意味着「雨水」在下降的过程中,大雨滴可以并吞并在同一直线下降的小雨滴,借由这种方式来增大体积,当雨滴的体积不断增大,在下降的时候就再也不能够保持着球形的形态。




当云层中的大水滴再也无法被托在空中开始向地表方向下降的时候,由于受了向下运动空气施加的力,此时的雨滴底部区域是平整的,上半部区域因为有了表面张力而始终保持着原本的球形,随着雨滴的体积增大,除了在下降时空气施加的表面张力外,还会受到周围空气施加在雨滴的压力以及因下降重力引起的雨滴内部的静压力差,压力、重力这两种力会伴随着雨滴体积的增长以及下降而不断增大。


雨滴在表面张力、压力、重力三种力的作用下,雨滴在下降的过程中首先雨滴底部会出现向内凹陷的情况并且会形成一个向上运动的空腔,随着空腔的体积越变越大,向上运动的空腔位置就会越靠近顶部,当空腔运动到雨滴再也无法用结合的力量来粘合雨滴的时候,空腔就好像一把“无情的刀”将雨滴分割成体积大小不等的水滴,然后大大、小小的水滴又会以大雨滴吞并小雨滴的方成从成结合成新的大雨滴。

图解:下降的雨滴在表面张力、压力、重力三种力的作用下被分割的情景


雨滴在被分割之前保持着的最大尺寸被称作为「雨滴临界破碎尺寸」,物理学则用「临界半径」来表示,在各种不同的气流条件下,「雨滴临界破碎尺寸」是不同的:


静态·均匀气流条件下,「临界半径」约为4501~500微米

扰动·瞬时气流条件下,「临界半径」约为300微米

观测自然界下降的雨滴,「临界半径」约为300微米~350微米


结语:自然科学与「雨」


雨滴在下降到地表之前的这个时候段有可能已经吞并了一些小雨滴,同时也意味着一些大雨滴被分割了,正是这种看似简单却又复杂的大自然力量把早期的地球从炙热的状态转化成了温度适宜蓝色星球,「雨」的降临让地球降温,最终导致生命的出现,因此水也被誉为生命的象征,同时水也是探索地外生命的重要参考依据。