Поведение дождевой капли в атмосфере Земли

Наверняка многие задумывались о том, какую форму принимает капля воды во время свободного падения из облака на землю. И если спросить любого человека, то он скорее всего скажет, что это форма, похожая на «слезинку». Но так ли это? Давайте разберёмся более подробно в этом вопросе.

Итак, выпадение дождя или мороси происходит, когда маленькие капли воды в облаке сливаются в более крупные (процесс коагуляции), и не в состоянии уже противостоять гравитации, устремляются к земной поверхности. Дождевые капли имеют размеры в пределах от 0,1 до 6-7 мм — средний диаметр, при превышении которого они, как правило, распадаются. Капли менее 0,1 мм являются облачными и имеют идеально сферическую форму.

Мелкие капли до 2 мм чаще всего близки по форме к сфере (например, выпадение мороси), более крупные приобретают приплюснутую снизу форму «булочки для гамбургера», а при их увеличении до 5 мм капля нестабильна и происходит ее преобразование в вогнутую форму раскрытого парашюта или другие формы, после чего она распадается на множество мелких брызг.

Типы дождевых капель:

A — несуществующий тип капель (форма капли под предметом перед падением)

B — капли размером менее 2 мм (почти круглые)

C — капли от 2 до 5 мм (сплющенная форма из-за трения о воздух)

D — капли больше 5 мм, из-за потока воздуха разделяются на меньшие капли

E — процесс деления крупной капли на несколько.

Форма капли зависит от ее размера: для маленьких капель сила поверхностного натяжения делает форму более сферической, тогда как с увеличением размера капли под действием встречного воздушного потока ее форма приобретает все более приплюснутую форму. Встречный поток воздуха создает внизу капли область высокого давления, а выше нее — область низкого давления, что деформирует каплю в плоскую или вогнутую (см. рисунок выше, справа).

На фото выше приведены кадры падающих дождевых капель с диаметрами: а — 6 мм при скорости 8,8 м/сек; б — 4,8 мм при скорости 8,3 м/сек; в — 2,8 мм, при скорости 6,8 м/сек.

Самые большие капли дождя на Земле были зафиксированы в Бразилии и на Маршалловых островах в 2004 году — некоторые из них достигали диаметра 10 мм. Их большой размер объясняется формированием конденсата на крупных частицах дыма или столкновением между каплями при большой их концентрации в воздухе. Кроме этого, наиболее крупные капли чаще всего формируются в процессе таяния градин.

Французские ученые Эммануэль Вильермо и Бенджамин Босса в июле 2009 г. опубликовали в журнале Nature Physics исследование разрушения крупных капель под действием встречного потока. По словам исследователя, каждая капля распадается индивидуально и независимо от их соседей на пути к земле. Таким образом, дождевая капля в процессе распада может приобрести форму раскрытого парашюта:

На следующей фотографии показаны три различных вида последовательности распада капель с интервалами между кадрами 2 миллисекунды, полученные другими исследователями (Barros, Ana P., Olivier P. Prat, Prabhakar Shrestha, Firat Y. Testik, Larry F. Bliven, 2008). (а) волокнистый (filament), (b) потоковый (sheet) и (c) дисковый распад капли:

Что касается скорости падения, то для дождевых капель диаметром 0,5 мм на уровне моря и без ветра она составляет от 2 до 6,6 метров в секунду, в то время как капли диаметром 5 мм и более имеют скорость от 9 до 30 метров в секунду. Причём, зависимость скорости падения от размера капли не является линейной (см. на графике):

Скорость падения капель (по оси Y) от её размера (по оси X)

Первые исследования формы дождевых капель относятся ещё к концу 1800-х гг. Немецкий ученый Филипп Ленард исследовал форму дождевых капель с 1898 г., а в 1904 г. опубликовал итоговую статью. Для изучения скорости капель он соорудил вертикальный воздушный туннель, где можно было управлять скоростью встречного воздушного потока. Он впервые сообщил, что форма капли отличается от стереотипной «слезинки» и сферична для капель примерно до 2 мм и деформируется в виде плоского дна и закругленной вершины, подобно булочке для гамбургера при увеличении капли, а при размерах свыше 5.5 мм капли нестабильны и распадаются. До этого исследованиями дождевых капель занимался фермер и ученый Wilson A. Bentley, который известен фотографированием снежных кристаллов, а также E.J. Lowe (1892) и J. Wiesner (1895), которые впервые измерили размер дождевых капель.

Подготовил Игорь Кибальчич, кандидат географических наук, синоптик.