Капля дождя: физика, свойства и значение¶

Капля дождя (англ. raindrop) — капля воды, выпадающая из облака в виде атмосферных осадков. Относится к классу жидких атмосферных осадков; формируется в облаках при конденсации водяного пара вокруг ядер гигроскопичности и последующем росте капель за счёт коалесценции. Средний диаметр дождевых капель составляет 0,5–6 мм, масса — от долей миллиграмма до нескольких миллиграммов.

¶Формирование капли

¶Ядра конденсации

В атмосфере водяной пар конденсируется не на пустом месте, а вокруг мельчайших частиц — ядер гигроскопичности: пылинок, солевых кристаллов, продуктов горения, спор и пыльцы. Размер таких ядер — от сотых долей до десятков микрометров. Капли, образующиеся вокруг них, называются облачными; их диаметр обычно не превышает 20 мкм.

¶Рост капель

Для того чтобы облачная капля стала дождевой, она должна вырасти в тысячи раз. Основные механизмы роста:

• Диффузия водяного пара — капля растёт за счёт испарения с более мелких капель и конденсации пара на более крупных (эффект Бержерона — Финдайзена, важный для облаков с температурой ниже 0 °C).
• Коалесценция — слияние капель при столкновении. В облаках с широким распределением размеров капель крупные капли, падая, «собирают» мелкие, увеличиваясь в диаметре.

Процесс роста ограничен: в чистом воздухе капля не может превысить критический размер, после которого поверхностное натяжение не удерживает её форму. Практически дождевые капли достигают 6 мм — при большем диаметре капля разрушается воздушным потоком.

¶Форма капли

Классическое представление о «слезообразной» капле дождя, сужающейся кверху, является распространённым заблуждением. В 2010-х годах исследования с использованием струйных туннелей показали, что капли диаметром до 2 мм почти сферичны, а более крупные — приплюснуты снизу (как булочка или парашют) из-за сопротивления воздуха. Сверху капля имеет слегка заострённый «носик», но форма в целом близка к сфероиду. Мелкие капли (менее 0,5 мм) — практически идеальные сферы.

¶Размеры и скорость падения

Скорость падения ограничена сопротивлением воздуха: при достижении равновесия между силой тяжести и аэродинамическим сопротивлением капля падает с постоянной скоростью. Именно поэтому дождь не бьёт с космической скоростью, а крупные капли падают лишь в 2–3 раза быстрее мелких.

¶Виды дождя

По размеру капель различают:

• Морось (drizzle) — капли менее 0,5 мм, падают медленно, часто в виде взвеси.
• Дождь — капли 0,5–6 мм.
• Ливень — интенсивный дождь с крупными каплями и высокой интенсивностью осадков.

¶Роль в природе и жизни человека

Капли дождя являются основным механизмом вымывания аэрозолей и загрязнителей из атмосферы — процесс называется «вымыванием» или «осаждением» (washout). Крупные капли эффективнее очищают воздух, но при этом могут разрушать почвенные агрегаты, вызывая эрозию.

Дождевые капли играют роль в переносе биологических частиц: споры грибов, бактерии и вирусы могут распространяться на десятки километров вместе с брызгами при ударе капель о поверхность (process of splash dispersal).

Для человека дождь — источник пресной воды, необходимой для сельского хозяйства, промышленности и водоснабжения. В России дождевые осадки формируют основную часть водных ресурсов рек бассейна Северного Ледовитого океана, а также обеспечивают увлажнение чернозёмных районов.

¶Интересные факты

• Скорость падения капли диаметром 2 мм — около 6,5 м/с, что примерно втрое меньше скорости человека при свободном падении.
• Капли мороси могут оставаться в воздухе часами, почти не оседая, из-за малой массы и влияния конвекции.
• Исследования показали, что при ударе капли о воду она образует крошечный «столбик» жидкости и кольцевую волну — явление, изучаемое в гидродинамике.

¶Источники

• Роджерс Р., Яу М. «Курс физики облаков»
• Лукин Г. П. «Атмосферные осадки: измерение и анализ»
• NASA Earth Observatory — материалы о дождевых каплях и радуге