自然科學：用物理學的角度解析「雨水」

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著者：餘生

形成「雨」的物理過程

這幾天我居住的城市·陽江天空的顏色總是暗灰色，有時甚至下起「雨」來，相約好的野外聚餐活動就這樣“泡湯”了，煩人的天氣總能讓人有一種不舒服的感覺，俗話說：

“燕子低飛麻雀叫，螞蟻搬家蛇過道，水缸穿裙山帶帽，就是大雨要來到。”

今天我就來給大家聊聊「雨」。

以水滴的形式從高空雲中降落到地面的水，稱之為「雨」。形成「雨」的物理過程，可以分為三個步驟：

1。當海洋表面、陸地表面以及空氣中的水遇熱後出現了蒸發的現象，從而使得水變為了另一種形態，此時水的形態是氣態的，即·水蒸氣。

2。當水蒸氣上升到某個高度的臨界點時會遇到冷空氣，水蒸氣會發生凝固的現象，從而使得水變為了另一種形態，此時水的形態是固態的，即·小水滴。

3。當小水滴數量足夠多的時候就聚積組成了雲，小水滴在雲裡來回地相互碰撞，有些小水滴會溶合成體積更大的大水滴，然而大體積的水滴此時的質量是大於空氣質量的，此時空氣是沒有力量能夠把水滴停留在大氣中，因此水滴會在萬有引力的作用下掙脫雲的束縛從天而降，降下來的水就是「雨」了。

圖解：雨水形成的過程示意圖

總結·形成「雨」的物理過程：

水（蒸發）→水蒸氣（上升）→小水滴（凝固）→大水滴·雲（溶合）→雨（下降）

圖解：雨水形成的過程示意圖

「雨」主要依靠兩個手段來增大體積

所謂的「雨」，它所展現的形態可以說是千種百樣，而且都各具有自己的特色。比例細如牛毛的

毛毛細雨

，有“下個不停”連綿不斷的

陰雨

以及水淹大地傾盆而下的

陣雨

。雨水是自然界中動、植物以及一切有生命跡象生命體必需的淡水資源，植物在要雨水滋潤下才能夠發育茁壯成長，然而大暴雨造成的洪水也會給地球帶來巨大的災難。

小水滴的直徑都很小隻有0。0001～0。0002毫米，它們直徑不僅小同時體積也很小、質量也很輕，因此它們才會被空氣中的上升氣流拖拽到高空中並聚積凝成了雲，但是這些直徑只有0。0001～0。0002毫米的小水滴想要溶合變成大水滴落降落到地表上，則意味著它們的直徑要增大到原來的100多萬倍。

●那麼直徑只有0。0001～0。0002毫米的小水滴是如何把自己的直徑增加到100多萬倍以上的呢！主要依靠兩個手段：

第一個手段：增加水滴的凝結和凝華、

在雨滴形成的早期時間段裡，雲主要是透過不斷吸積周圍區域的水蒸氣來凝結和凝華成更大體積的雲，假如雲體內的水氣能（水蒸氣）可以源源不斷地得到供應和補給，在這種條件下雲的表面經常是處於過飽和狀態中的，因此這種凝結的過程將會一直持續下去直到凝結成體積更大的雨滴。但是有的時候雲層的內部水氣含量是極其有限的，在同一塊雲裡水氣常常是處於供不應求的現象，因此就不會出現導致每一個雲滴都會增大為體積較大的雨滴，體積較小的雲滴只能溶合到較大的雲滴中去。

假如當雲處於水滴與冰晶顆粒共存的情況下，凝結和凝華增大的過程將會大大地加快：

當雲滴增大到一定程度時，因為大雲滴的體積和重量不斷增加，因此大雲滴在下降的過程中不僅速度能夠超越體積小、下降速度較慢的小云滴，而且在下降的時候還會吞併同一直線中超越時所遇到的小云滴，大雲滴吞併了小云滴之後，它的體積也就越來越大，一旦體積大到空氣也束縛不住它們時，大雲滴就會從雲中向著地表直線下降成為我們常見的「雨水」。

圖解：水滴的凝結和凝華

第二個手段：增加雨滴之間碰撞的速度使得水滴有更快的速度溶合成體積大的水滴、

雨滴本身是具有電荷的，正是因為它們自身攜帶的正、負電荷導致雨滴之間會出現相互碰撞從而發生結合現象，這是雨滴體積會增大的一個原因。

「雨」不是始終保持著單一形態的

大雨滴的下降速度一定是比小雨滴的下降速度快，這就意味著「雨水」在下降的過程中，大雨滴可以併吞並在同一直線下降的小雨滴，藉由這種方式來增大體積，當雨滴的體積不斷增大，在下降的時候就再也不能夠保持著球形的形態。

當雲層中的大水滴再也無法被託在空中開始向地表方向下降的時候，由於受了向下運動空氣施加的力，此時的雨滴底部區域是平整的，上半部區域因為有了表面張力而始終保持著原本的球形，隨著雨滴的體積增大，除了在下降時空氣施加的表面張力外，還會受到周圍空氣施加在雨滴的壓力以及因下降重力引起的雨滴內部的靜壓力差，壓力、重力這兩種力會伴隨著雨滴體積的增長以及下降而不斷增大。

雨滴在表面張力、壓力、重力三種力的作用下，

雨滴在下降的過程中首先雨滴底部會出現向內凹陷的情況並且會形成一個向上運動的空腔，隨著空腔的體積越變越大，向上運動的空腔位置就會越靠近頂部，當空腔運動到雨滴再也無法用結合的力量來粘合雨滴的時候，空腔就好像一把“無情的刀”將雨滴分割成體積大小不等的水滴，然後大大、小小的水滴又會以大雨滴吞併小雨滴的方成從成結合成新的大雨滴。

圖解：下降的雨滴在表面張力、壓力、重力三種力的作用下被分割的情景

雨滴在被分割之前保持著的最大尺寸被稱作為「

雨滴臨界破碎尺寸

」，物理學則用「臨界半徑」來表示，在各種不同的氣流條件下，「

雨滴臨界破碎尺寸

」是不同的：

靜態·均勻氣流條件下，「臨界半徑」約為4501～500微米、

擾動·瞬時氣流條件下，「臨界半徑」約為300微米、

觀測自然界下降的雨滴，「臨界半徑」約為300微米～350微米、

餘生結語：自然科學與「雨」

雨滴在下降到地表之前的這個時候段有可能已經吞併了一些小雨滴，同時也意味著一些大雨滴被分割了，正是這種看似簡單卻又複雜的大自然力量把早期的地球從炙熱的狀態轉化成了溫度適宜藍色星球，「雨」的降臨讓地球降溫，最終導致生命的出現，因此水也被譽為生命的象徵，同時水也是探索地外生命的重要參考依據。

自然科學：用物理學的角度解析「雨水」

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