一顆雨滴的奇妙世界

劉浩天

在地球上，每天都會(huì)有無數(shù)的雨滴從天而降，這些雨滴雖看似平凡，但它們其實(shí)有著非常精彩的故事。

奇妙的旅程

每一顆雨滴在落到地面之前，大都經(jīng)歷過一段令人難以置信的旅程。比如一滴落在歐洲的雨水，它可能在9天前就開始旅行了。當(dāng)時(shí)，那顆水滴或許正躺在紐約的港口曬太陽，但陽光使它變熱，把它蒸發(fā)成了氣體。水蒸氣并不抱怨，它聽從自然界的安排，一邊慢慢地往上爬，一邊被季風(fēng)吹向東方。

在經(jīng)歷了長(zhǎng)途跋涉之后，水蒸氣來到歐洲上空，它的位置已經(jīng)很高了，空氣變得更加寒冷。水蒸氣感到疲憊，它需要尋找一個(gè)地方來休息。在大約6000米的高度，水蒸氣發(fā)現(xiàn)了一處可以“停靠”的地點(diǎn)，它抓住一個(gè)灰塵顆粒，變成了一個(gè)小冰晶—雨滴的“胚胎”。這個(gè)“胚胎”從周圍的空氣中提取水分，尺寸和重量越來越大，當(dāng)云團(tuán)掛不住它的時(shí)候，它開始跌落。雨滴在降落的過程中，會(huì)碰撞或融合其他的“小伙伴”，在25分鐘的降落時(shí)間里，雨滴的尺寸變成了初始的20倍，最終其直徑達(dá)到了2毫米。已有實(shí)驗(yàn)證明，如果一顆雨滴以每小時(shí)19千米的速度撞入水中，它可以穿過水面并仍然完好無損。

水分子需要微小顆粒來“停靠”，這對(duì)“雨滴”的形成非常重要。如果沒有顆粒，就不會(huì)有云，也就不會(huì)產(chǎn)生降水。所以，能不能夠產(chǎn)生降雨，很大程度上取決于微粒的數(shù)量。但是，問題又來了，在毗鄰海域的沙漠地區(qū)，那里有著大量的水分和塵埃，但為什么始終缺少雨水呢？

問題的答案在于一個(gè)簡(jiǎn)單的比例：如果空氣中微粒的濃度超過了每立方厘米1200個(gè)，由于微粒太多了，有限的水分子被分散到眾多的微粒上，只能形成微小的霧霾，反而無法形成足夠大的雨滴。

在天空中更高的地方，霧霾冷凍成細(xì)碎的冰粉末。這些冰粉末很不穩(wěn)定又容易升華，它們的升華過程會(huì)影響氣流層中水的循環(huán)過程，并阻礙雨滴的形成。在遭受嚴(yán)重空氣污染的地區(qū)，這會(huì)導(dǎo)致一個(gè)潛在的惡性循環(huán)：雖然雨水在降落時(shí)能夠沖刷灰塵和有毒氣體（1公升的雨水可以清潔30萬公升的空氣），但是如果塵埃太多了（空氣污染太嚴(yán)重了），能夠帶來降水的云彩會(huì)很少，不但雨水的清潔作用無法發(fā)揮，霧霾也會(huì)越來越多，空氣質(zhì)量仍會(huì)持續(xù)下降。

雨滴像眼淚？錯(cuò)了

恐怕沒有人知道地球上每天會(huì)下多少場(chǎng)雨，有多少雨滴會(huì)落到地面上來。云團(tuán)里面的小水滴或者小冰晶互相碰撞，合并在一起長(zhǎng)大，直到整體的重量超過上升氣流所能提供的向上的力量，它們?cè)谥亓Φ淖饔孟拢涞降孛嫔希纬山涤辍?/p>

在降雨過程中，云層中的原始雨滴由于凝結(jié)核的大小不同，凝結(jié)發(fā)生的先后順序不同，其大小是不相同的。并且大小水滴之間的碰撞，使大水滴不斷增大，小水滴也會(huì)變小。當(dāng)水滴不斷增大，在空氣中下降時(shí)就不再保持球形。開始下降時(shí)，水滴的底部平整，上部因表面張力而保持原來的球形。當(dāng)水滴繼續(xù)增大，在空氣中下降時(shí)，除受到表面張力外，還要受到周圍空氣的壓力以及重力的作用，二者的作用效果均隨水滴的增長(zhǎng)及下降而不斷增大。在這三種力的作用下，水滴變形越來越劇烈，底部向內(nèi)凹陷，形成一個(gè)空腔，形似降落傘。空腔越變?cè)酱螅阶冊(cè)缴睿喜吭阶冊(cè)奖。詈笃扑槌稍S多大小不同的水滴—這才是我們?cè)诘孛嫔纤吹降挠甑巍?/p>

我們常常把雨滴畫成流線型的淚滴形狀，但這是錯(cuò)誤的。雨滴有大有小，其形狀各不相同。直徑小于0.25毫米的雨滴稱為小雨滴，為球形；直徑大于5.5毫米的雨滴稱為大雨滴，大雨滴開始的形狀為紡錘形，在下降的過程中因受到空氣阻力的作用，其形狀更像漢堡包，有著圓形的頂部和扁平的底部。

雨滴在空氣中的降落速度最初是逐漸增大的，隨著雨滴降落速度的增大，空氣阻力也逐漸增大，雨滴的加速度則逐漸減小，最后加速度減為零，雨滴呈勻速下降。這時(shí)雨滴的降落速度達(dá)到最大值，叫“雨滴終速”。直徑0.1毫米大小的雨滴，其雨滴終速是2～3米/秒，最大雨滴的下落速度為8～9米/秒。

如果一場(chǎng)暴風(fēng)雨中的所有雨水匯聚成一整滴雨

如果在一場(chǎng)暴風(fēng)雨中，所有的雨水在幾千米高空匯聚成了一個(gè)巨大的水滴，成為一個(gè)直徑超過1000米、重量達(dá)到6億噸的水球，那會(huì)是怎樣的情形？有科學(xué)家做出過如下推測(cè)：大概有五六秒的時(shí)間，人們看不出任何異常。之后，云層的底部向下隆起，在某一瞬間看起來，有點(diǎn)像正在形成的漏斗云。隆起逐漸變大，在第10秒，水滴會(huì)脫離云層落下來。

這個(gè)巨大的水滴以每秒90米（每小時(shí)324千米）的速度下落，狂風(fēng)在水滴表面吹起水花。水滴的邊緣會(huì)產(chǎn)生泡沫，因?yàn)榭諝獗粩D了進(jìn)去。大約在水滴形成之后的第20秒，水滴的邊緣觸到了地面，此時(shí)它的運(yùn)動(dòng)速度超過了每秒200米。在撞擊點(diǎn)的正下方，空氣來不及排出，被壓縮的空氣迅速升溫，瞬間可以達(dá)到幾百攝氏度，幾乎能點(diǎn)燃草地。

對(duì)草兒們來說，高溫不過幾毫秒，一大坨涼水便傾斜而至。但涼水的速度超過了音速的一半，小草估計(jì)會(huì)被水球砸到地底下了。同時(shí)，水球砸向地面，水球向下的壓力遇到地面后，一部分被彈起，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。那部分被彈起的又落下，形成又一波奔流—這樣一浪又一浪地向外擴(kuò)張，像沖上岸的海嘯巨浪一樣，拔起樹木，沖毀房屋，卷起土層，將沿途的一切毀滅殆盡，甚至20～30千米內(nèi)的建筑物都會(huì)被破壞。只有被山脈保護(hù)的地區(qū)，才會(huì)幸免于難。

更遠(yuǎn)的地區(qū)基本上不會(huì)受到水浪的影響，然而下游幾百米甚至上千米外的河流附近，在撞擊后的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，將遭遇一次突如其來的洪水襲擊。

懸浮的海洋

每顆雨滴自生自滅—水滴蒸發(fā)，水蒸氣上升到空氣中的冷層，形成云團(tuán)，然后又凝聚成雨水滴落下來。但是，這些還不是“雨滴故事”的全部—我們往往忽略了雨滴們的規(guī)模和成分。其實(shí)在數(shù)千米甚至上萬米的高空，億萬噸的云彩不僅在周游世界，而且在通過降雨的方式，對(duì)海洋、河流以及湖泊中的水分進(jìn)行分配管理。據(jù)估計(jì)，地球每天有超過15萬億噸的水—整個(gè)地中海水量的3倍之多—正懸掛在我們的頭頂上。它是一個(gè)盤旋在空中懸停的海洋，對(duì)于地球生命至關(guān)重要。沒有雨水，植物、動(dòng)物和人類將會(huì)在幾年內(nèi)統(tǒng)統(tǒng)消失。

我們頭頂上這片巨大的、可謂是名副其實(shí)的海洋—每一顆雨滴所包含的都遠(yuǎn)不僅是水。科學(xué)家們分析了雨滴之后發(fā)現(xiàn)，促使它們形成的懸浮顆粒中，不僅含有火山灰、沙漠塵土或者海洋中的鹽分，還含有細(xì)菌、病毒以及DNA分子。實(shí)際上，有一個(gè)包含著生命物質(zhì)的海洋懸浮在我們的頭頂上，數(shù)千種的細(xì)菌、小生物在環(huán)游世界，封存在雨滴中。當(dāng)雨滴落下時(shí)，它們隨之落入土地，生根發(fā)芽。

每天，都有億萬顆雨滴從天空落下，每一顆都代表一個(gè)迷人的小規(guī)模的宇宙。這小小的雨滴，折射的可真是大千世界！

（司志政摘自《大科技 百科新說》2015年第6期，Raven圖）