在創(chuàng)歷史的連續(xù)高溫之后

最近的上海又開始了

說下就下的局部陣雨模式

正在經(jīng)歷局部暴雨的陸家嘴三件套 | 來源：見水印

未來幾天，局部陣雨出現(xiàn)的頻率超高

來源：上海市氣象服務(wù)中心

接連的雨水帶來降溫，也帶來一些生活的不便，更帶來一些有趣的現(xiàn)象。比如，有人曾經(jīng)拍到，豆大的雨滴落到河面、湖面、乃至于積水的表面，形成了一個(gè)又一個(gè)水泡泡。

雨水還會(huì)吹泡泡？

這是……地面上殘留了洗潔精？還是雨滴成了精？你見到的雨，真是你以為的雨嗎？

01

雨滴不是你想象中的形狀！

現(xiàn)在，請(qǐng)閉上眼睛想象一下，雨滴是什么形狀的？

大部分人肯定會(huì)想出一個(gè)上面尖尖、下面圓圓的水滴形狀，就像這樣：

但真實(shí)的雨滴不是這樣的。

那么雨滴會(huì)像《三體》中對(duì)“水滴”武器的描述一樣嗎？表面絕對(duì)光滑、完美無瑕疵？

來源：豆包AI生成

很遺憾，也不是這樣的。

真正的雨滴形狀多種多樣，非常百變。這是因?yàn)橛甑卧诳諝庵幸蛑亓ψ饔孟侣鋾r(shí)，會(huì)受到表面張力、空氣動(dòng)力、內(nèi)部壓力及湍流等多種力的共同影響，從而表現(xiàn)出不同的微物理特性，包括尺度、速度、形狀、軸比、擺動(dòng)行為、空間取向以及相應(yīng)的譜分布特征[1]。

這些特性與雷達(dá)回波之間存在密切關(guān)聯(lián)，成為天氣雷達(dá)進(jìn)行定量降水估算的重要依據(jù)[2]。雨滴的尺度和速度是揭示土壤侵蝕陸面過程機(jī)制的關(guān)鍵參數(shù)[3]，而其形狀和折射率則是研究雨滴對(duì)電磁波散射和衰減影響的基礎(chǔ)前提[4]。由此可見，對(duì)雨滴開展研究，是一件非常有科學(xué)意義的事情。

解釋了這么多，下面我們來看看雨滴究竟是什么形狀。

02

雨滴還有“家譜”？！

咱們首先，就要從“雨”的大小說起。這里雨的大小，不是通常說的降水量的大小，而是指雨滴的大小，這兩者有一定關(guān)系，但并不是一回事。

在氣象觀測(cè)中，降雨強(qiáng)度與雨滴譜是兩個(gè)核心觀測(cè)要素。降雨強(qiáng)度是指特定時(shí)間段內(nèi)的平均降雨量，該數(shù)值由大量雨滴累積而成，計(jì)量單位為毫米[5]。

雨滴譜則反映了雨滴粒徑的分布特征，其縱軸表示各粒徑對(duì)應(yīng)的雨滴數(shù)量，橫軸則為將雨滴平面尺度轉(zhuǎn)換為等體積球體后的半徑值[5]。所以，雨滴譜就是用來記錄雨滴大小的一種方法。

雨滴譜圖像 | 參考文獻(xiàn)6

由上圖可見，雨滴有大有小，而不同大小的雨滴，其形狀又會(huì)有所不同。

當(dāng)雨滴較小(直徑＜2mm)時(shí)，雨滴基本保持球形，隨著雨滴的增大(直徑＞2mm)，雨滴呈現(xiàn)頂部圓滑、底部平坦的形狀，雨滴越大形狀越扁。這是因?yàn)橹睆皆酱螅侣溥^程中受到氣流的影響也更明顯，所以就把雨滴底部“吹得”越發(fā)平坦，逐漸接近于“旺仔小饅頭”的形狀。

根據(jù)雨滴形狀的一些模擬公式，我們模擬出了不同直徑狀態(tài)的雨滴形狀，由此可以大致出雨滴的樣子：

還有更大的雨滴了嗎？其實(shí)很難了。在自然條件下，由于空氣阻力的作用，雨滴的直徑存在一個(gè)理論上限，雨滴最大直徑大概在6.5mm左右，超過此尺寸的雨滴會(huì)在下落過程中變得不穩(wěn)定而發(fā)生破裂，重新變成“小雨滴”。

不同直徑的雨滴具有不同的最終速度，當(dāng)直徑為1.0mm（綠色點(diǎn)）時(shí)，速度約為3.79m/s；而當(dāng)直徑達(dá)到最大值的6.5mm（紅色點(diǎn)）時(shí)，速度達(dá)到約11.65 m/s。

03

吹泡泡的秘密

而在下大雨時(shí)，池塘水面、地面上出現(xiàn)的氣泡，與雨滴的直徑、下落速度以及水的表面張力密切相關(guān)。

較大的雨滴（直徑通常超過4毫米）從空中落下時(shí)，其終端速度可達(dá)8-9米/秒。當(dāng)這些高速的大雨滴撞擊池塘水面時(shí)，其動(dòng)能會(huì)瞬間沖擊水面，如同小石子投入水中，使水面凹陷并夾帶一部分空氣進(jìn)入水中。

水的表面張力在此過程中起到了關(guān)鍵作用。表面張力是水分子之間相互吸引產(chǎn)生的、使液體表面盡可能收縮的力。當(dāng)雨滴將空氣帶入水中后，水的表面張力會(huì)迅速包裹住這些空氣，形成一層薄薄的水膜，從而將空氣囚禁在內(nèi)，形成一個(gè)個(gè)氣泡。

因此，大雨滴因其較大的直徑和較高的速度，能攜帶更多的空氣侵入水中，并在表面張力的幫助下形成我們所見的水泡。若雨滴太小或速度太低，則難以帶入足夠空氣形成穩(wěn)定氣泡。

雨滴過大，速度過快也不容易形成泡泡

這就是雨滴吹泡泡的秘密，在為我們帶來一絲清涼的同時(shí)，也帶來一絲趣味。如果你正在經(jīng)歷局部降雨，不妨順便觀察一下今天的雨滴吧！

參考文獻(xiàn)

[1]Michaelides S． Precipitation: Advances in Measurement，Estimation，and Prediction［M］． Berlin，German: Springer，2008．

[2]楊軍，陳寶君，銀燕．云降水物理學(xué)［M］．北京: 氣象出版社，2011．

[3]朱亞喬，劉元波．地面雨滴譜觀測(cè)技術(shù)及特征研究進(jìn)展［J］．地球科學(xué)進(jìn)展，2013，28(6): 685-694．

[4]劉西川，高太長(zhǎng)，秦健，等．降雨對(duì)微波傳輸特性的影響分析［J］．物理學(xué)報(bào),2010,59(3): 2156-2162．

[5]張?zhí)m.基于雨滴譜的降雨強(qiáng)度反演算法研究[D].南京信息工程大學(xué),2018.

[6]劉西川,高太長(zhǎng),劉磊,等.基于粒子成像測(cè)速技術(shù)的雨滴微物理特性研究[J].物理學(xué)報(bào),2014,63(02):469-475.

[7]錢允祺,陶士珩.黃土高原降雨雨滴最終速度的分布律[J].西北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1998,(05):23-27.

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來源：上海科技館

責(zé)任編輯：楊昊霖

校審： 姚佳森

終審： 沈蔚