Поводження дощової краплі в атмосфері Землі
© pixabay.com
Напевно, багато хто замислювався над тим, яку форму набуває крапля води під час вільного падіння з хмари на землю. І якщо спитати будь-яку людину, то вона швидше за все скаже, що це форма, схожа на «сльозинку». Але чи це так? Давайте розберемося докладніше у цьому питанні.
Отже, випадання дощу відбувається, коли дрібні краплі води в хмарі зливаються в більші (процес коагуляції), і не в змозі вже протистояти гравітації, прямують до земної поверхні. Дощові краплі мають розміри від 0,1 до 6 -7 мм — середній діаметр, при перевищенні якого вони, як правило, розпадаються на більш дрібні. Краплі менше 0,1 мм є хмарними (тобто з яких складаються хмари) та мають ідеально сферичну форму.
Дрібні краплі до 2 мм найчастіше близькі за формою до сфери (наприклад, випадання мряки), більші набувають плескатої знизу форми «булочки для гамбургеру», а при їх збільшенні до 5 мм крапля нестабільна і відбувається її перетворення до увігнутої форми розкритого парашута або інші форми, після чого вона розпадається на безліч дрібних бризок.
Також читайте
Типи дощових крапель:
A - неіснуючий тип крапель (форма краплі під предметом перед падінням)
B - краплі розміром менше 2 мм (майже круглі)
C - краплі від 2 до 5 мм (сплющена форма внаслідок тертя повітря)
D - краплі більше 5 мм, внаслідок потоку повітря поділяються на менші краплі
E - процес поділу великої краплі на кілька.
Форма краплі залежить від її розміру: для маленьких крапель сила поверхневого натягу робить форму більш сферичною, тоді як зі збільшенням розміру краплі під дією зустрічного повітряного потоку вона набуває все більш плескатої форми. Зустрічний потік повітря створює внизу краплі область високого тиску, а вище за неї - область низького тиску, що деформує краплю в плоску або увігнуту (див. малюнок вище, праворуч).
На фото вище наведені кадри крапель, що падають, з діаметрами: а — 6 мм при швидкості 8,8 м/сек; б - 4,8 мм при швидкості 8,3 м/сек; в - 2,8 мм, при швидкості 6,8 м/сек.
Найбільші краплі дощу на Землі були зафіксовані у Бразилії та на Маршаллових островах у 2004 році – деякі з них досягали діаметра 10 мм. Їх великий розмір пояснюється формуванням конденсату на великих частках диму або зіткненням між краплями при великій їх концентрації у повітрі. Крім цього, найбільші краплі найчастіше формуються в процесі танення градин.
Французькі вчені Еммануель Вільєрмо та Бенджамін Босса в липні 2009 р. опублікували в журналі Nature Physics дослідження руйнування великих крапель під дією зустрічного потоку. За словами дослідника, кожна крапля розпадається індивідуально та незалежно від їхніх сусідів на шляху до землі. Таким чином, дощова крапля в процесі розпаду може набути форми розкритого парашута:
На наступній фотографії показано три різні види послідовності розпаду крапель з інтервалами між кадрами 2 мілісекунди, отримані іншими дослідниками (Barros, Ana P., Olivier P. Prat, Prabhakar Shrestha, Firat Y. Testik, Larry F. Bliven, 2008). (а) волокнистий (filament), (b) потоковий (sheet) та (c) дисковий розпад краплі:
Що стосується швидкості падіння, то для дощових крапель діаметром 0,5 мм на рівні моря і без вітру вона становить від 2 до 6,6 метрів за секунду, тоді як краплі діаметром 5 мм і більше мають швидкість від 9 до 30 метрів на секунду. Причому залежність швидкості падіння від розміру краплі не є лінійною (див. на графіку):
Швидкість падіння крапель (по осі Y) від її розміру (по осі X)
Перші дослідження форми дощових крапель відносяться ще до кінця 1800-х років. Німецький вчений Філіп Ленард досліджував форму дощових крапель з 1898 р., а у 1904 році опублікував підсумкову статтю. Для вивчення швидкості крапель він спорудив вертикальний повітряний тунель, де можна було керувати швидкістю зустрічного повітряного потоку. Він уперше повідомив, що форма краплі відрізняється від стереотипної «сльози» і сферична для крапель приблизно до 2 мм, яка деформується у вигляді плоского дна і закругленої вершини, подібно до булочки для гамбургера при збільшенні краплі, а при розмірах понад 5,5 мм краплі нестабільні і розпадаються. До цього дослідженнями дощових крапель займався фермер та вчений Wilson A. Bentley, який став відомим завдяки фотографування снігових кристалів, а також E.J. Lowe (1892) та J. Wiesner (1895), які вперше виміряли розміри дощових крапель.
Підготував Ігор Кібальчич, кандидат географічних наук, синоптик.
