一颗雨滴的奇妙世界

作者:刘浩天 来源:读者校园版

  在地球上,每天都会有无数的雨滴从天而降,这些雨滴虽看似平凡,但它们其实有着非常精彩的故事。

  奇妙的旅程

  每一颗雨滴在落到地面之前,大都经历过一段令人难以置信的旅程。比如一滴落在欧洲的雨水,它可能在9天前就开始旅行了。当时,那颗水滴或许正躺在纽约的港口晒太阳,但阳光使它变热,把它蒸发成了气体。水蒸气并不抱怨,它听从自然界的安排,一边慢慢地往上爬,一边被季风吹向东方。

  在经历了长途跋涉之后,水蒸气来到欧洲上空,它的位置已经很高了,空气变得更加寒冷。水蒸气感到疲惫,它需要寻找一个地方来休息。在大约6000米的高度,水蒸气发现了一处可以“停靠”的地点,它抓住一个灰尘颗粒,变成了一个小冰晶—雨滴的“胚胎”。这个“胚胎”从周围的空气中提取水分,尺寸和重量越来越大,当云团挂不住它的时候,它开始跌落。雨滴在降落的过程中,会碰撞或融合其他的“小伙伴”,在25分钟的降落时间里,雨滴的尺寸变成了初始的20倍,最终其直径达到了2毫米。已有实验证明,如果一颗雨滴以每小时19千米的速度撞入水中,它可以穿过水面并仍然完好无损。

  水分子需要微小颗粒来“停靠”,这对“雨滴”的形成非常重要。如果没有颗粒,就不会有云,也就不会产生降水。所以,能不能够产生降雨,很大程度上取决于微粒的数量。但是,问题又来了,在毗邻海域的沙漠地区,那里有着大量的水分和尘埃,但为什么始终缺少雨水呢?

  问题的答案在于一个简单的比例:如果空气中微粒的浓度超过了每立方厘米1200个,由于微粒太多了,有限的水分子被分散到众多的微粒上,只能形成微小的雾霾,反而无法形成足够大的雨滴。

  在天空中更高的地方,雾霾冷冻成细碎的冰粉末。这些冰粉末很不稳定又容易升华,它们的升华过程会影响气流层中水的循环过程,并阻碍雨滴的形成。在遭受严重空气污染的地区,这会导致一个潜在的恶性循环:虽然雨水在降落时能够冲刷灰尘和有毒气体(1公升的雨水可以清洁30万公升的空气),但是如果尘埃太多了(空气污染太严重了),能够带来降水的云彩会很少,不但雨水的清洁作用无法发挥,雾霾也会越来越多,空气质量仍会持续下降。

  雨滴像眼泪?错了

  恐怕没有人知道地球上每天会下多少场雨,有多少雨滴会落到地面上来。云团里面的小水滴或者小冰晶互相碰撞,合并在一起长大,直到整体的重量超过上升气流所能提供的向上的力量,它们在重力的作用下,落到地面上,形成降雨。

  在降雨过程中,云层中的原始雨滴由于凝结核的大小不同,凝结发生的先后顺序不同,其大小是不相同的。并且大小水滴之间的碰撞,使大水滴不断增大,小水滴也会变小。当水滴不断增大,在空气中下降时就不再保持球形。开始下降时,水滴的底部平整,上部因表面张力而保持原来的球形。当水滴继续增大,在空气中下降时,除受到表面张力外,还要受到周围空气的压力以及重力的作用,二者的作用效果均随水滴的增长及下降而不断增大。在这三种力的作用下,水滴变形越来越剧烈,底部向内凹陷,形成一个空腔,形似降落伞。空腔越变越大,越变越深,上部越变越薄,最后破碎成许多大小不同的水滴—这才是我们在地面上所看到的雨滴。

  我们常常把雨滴画成流线型的泪滴形状,但这是错误的。雨滴有大有小,其形状各不相同。直径小于0.25毫米的雨滴称为小雨滴,为球形;直径大于5.5毫米的雨滴称为大雨滴,大雨滴开始的形状为纺锤形,在下降的过程中因受到空气阻力的作用,其形状更像汉堡包,有着圆形的顶部和扁平的底部。

  雨滴在空气中的降落速度最初是逐渐增大的,随着雨滴降落速度的增大,空气阻力也逐渐增大,雨滴的加速度则逐渐减小,最后加速度减为零,雨滴呈匀速下降。这时雨滴的降落速度达到最大值,叫“雨滴终速”。直径0.1毫米大小的雨滴,其雨滴终速是2~3米/秒,最大雨滴的下落速度为8~9米/秒。

  如果一场暴风雨中的所有雨水汇聚成一整滴雨

  如果在一场暴风雨中,所有的雨水在几千米高空汇聚成了一个巨大的水滴,成为一个直径超过1000米、重量达到6亿吨的水球,那会是怎样的情形?有科学家做出过如下推测:大概有五六秒的时间,人们看不出任何异常。之后,云层的底部向下隆起,在某一瞬间看起来,有点像正在形成的漏斗云。隆起逐渐变大,在第10秒,水滴会脱离云层落下来。

  这个巨大的水滴以每秒90米(每小时324千米)的速度下落,狂风在水滴表面吹起水花。水滴的边缘会产生泡沫,因为空气被挤了进去。大约在水滴形成之后的第20秒,水滴的边缘触到了地面,此时它的运动速度超过了每秒200米。在撞击点的正下方,空气来不及排出,被压缩的空气迅速升温,瞬间可以达到几百摄氏度,几乎能点燃草地。

  对草儿们来说,高温不过几毫秒,一大坨凉水便倾斜而至。但凉水的速度超过了音速的一半,小草估计会被水球砸到地底下了。同时,水球砸向地面,水球向下的压力遇到地面后,一部分被弹起,而大部分朝四方分解,形成高速的激流,向四面八方奔流而去。那部分被弹起的又落下,形成又一波奔流—这样一浪又一浪地向外扩张,像冲上岸的海啸巨浪一样,拔起树木,冲毁房屋,卷起土层,将沿途的一切毁灭殆尽,甚至20~30千米内的建筑物都会被破坏。只有被山脉保护的地区,才会幸免于难。

  更远的地区基本上不会受到水浪的影响,然而下游几百米甚至上千米外的河流附近,在撞击后的几个小时内,将遭遇一次突如其来的洪水袭击。

  悬浮的海洋

  每颗雨滴自生自灭—水滴蒸发,水蒸气上升到空气中的冷层,形成云团,然后又凝聚成雨水滴落下来。但是,这些还不是“雨滴故事”的全部—我们往往忽略了雨滴们的规模和成分。其实在数千米甚至上万米的高空,亿万吨的云彩不仅在周游世界,而且在通过降雨的方式,对海洋、河流以及湖泊中的水分进行分配管理。据估计,地球每天有超过15万亿吨的水—整个地中海水量的3倍之多—正悬挂在我们的头顶上。它是一个盘旋在空中悬停的海洋,对于地球生命至关重要。没有雨水,植物、动物和人类将会在几年内统统消失。

  我们头顶上这片巨大的、可谓是名副其实的海洋—每一颗雨滴所包含的都远不仅是水。科学家们分析了雨滴之后发现,促使它们形成的悬浮颗粒中,不仅含有火山灰、沙漠尘土或者海洋中的盐分,还含有细菌、病毒以及DNA分子。实际上,有一个包含着生命物质的海洋悬浮在我们的头顶上,数千种的细菌、小生物在环游世界,封存在雨滴中。当雨滴落下时,它们随之落入土地,生根发芽。

  每天,都有亿万颗雨滴从天空落下,每一颗都代表一个迷人的小规模的宇宙。这小小的雨滴,折射的可真是大千世界!

  (司志政摘自《大科技 百科新说》2015年第6期,Raven图)

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