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云中降落到地面的水，稱之為「雨」。形成「雨」的物理過程，可以分為三個步驟：

1.當(dāng)海洋表面、陸地表面以及空氣中的水遇熱后出現(xiàn)了蒸發(fā)的現(xiàn)象，從而使得水變?yōu)榱肆硪环N形態(tài)，此時水的形態(tài)是氣態(tài)的，即·水蒸氣。

2.當(dāng)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(fā)生凝固的現(xiàn)象，從而使得水變?yōu)榱肆硪环N形態(tài)，此時水的形態(tài)是固態(tài)的，即·小水滴。

3.當(dāng)小水滴數(shù)量足夠多的時候就聚積組成了云，小水滴在云里來回地相互碰撞，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(zhì)量是大于空氣質(zhì)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云的束縛從天而降，降下來的水就是「雨」了。

圖解：雨水形成的過程示意圖

總結(jié)·形成「雨」的物理過程：

水（蒸發(fā)）→水蒸氣（上升）→小水滴（凝固）→大水滴·云（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(xiàn)的形態(tài)可以說是千種百樣，而且都各具有自己的特色。比例細(xì)如牛毛的毛毛細(xì)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(fā)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(zāi)難。

小水滴的直徑都很小只有0.0001～0.0002毫米，它們直徑不僅小同時體積也很小、質(zhì)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并聚積凝成了云，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。

●那么直徑只有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(jié)和凝華

在雨滴形成的早期時間段里，云主要是通過不斷吸積周圍區(qū)域的水蒸氣來凝結(jié)和凝華成更大體積的云，假如云體內(nèi)的水氣能（水蒸氣）可以源源不斷地得到供應(yīng)和補給，在這種條件下云的表面經(jīng)常是處于過飽和狀態(tài)中的，因此這種凝結(jié)的過程將會一直持續(xù)下去直到凝結(jié)成體積更大的雨滴。但是有的時候云層的內(nèi)部水氣含量是極其有限的，在同一塊云里水氣常常是處于供不應(yīng)求的現(xiàn)象，因此就不會出現(xiàn)導(dǎo)致每一個云滴都會增大為體積較大的雨滴，體積較小的云滴只能溶合到較大的云滴中去。

假如當(dāng)云處于水滴與冰晶顆粒共存的情況下，凝結(jié)和凝華增大的過程將會大大地加快：

當(dāng)云滴增大到一定程度時，因為大云滴的體積和重量不斷增加，因此大云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并同一直線中超越時所遇到的小云滴，大云滴吞并了小云滴之后，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，大云滴就會從云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(jié)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(fù)電荷導(dǎo)致雨滴之間會出現(xiàn)相互碰撞從而發(fā)生結(jié)合現(xiàn)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(tài)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，大雨滴可以并吞并在同一直線下降的小雨滴，借由這種方式來增大體積，當(dāng)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(tài)。

當(dāng)云層中的大水滴再也無法被托在空中開始向地表方向下降的時候，由于受了向下運動空氣施加的力，此時的雨滴底部區(qū)域是平整的，上半部區(qū)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(nèi)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(xiàn)向內(nèi)凹陷的情況并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(dāng)空腔運動到雨滴再也無法用結(jié)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，然后大大、小小的水滴又會以大雨滴吞并小雨滴的方成從成結(jié)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(xué)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(tài)·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

結(jié)語：自然科學(xué)與「雨」

雨滴在下降到地表之前的這個時候段有可能已經(jīng)吞并了一些小雨滴，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復(fù)雜的大自然力量把早期的地球從炙熱的狀態(tài)轉(zhuǎn)化成了溫度適宜藍(lán)色星球，「雨」的降臨讓地球降溫，最終導(dǎo)致生命的出現(xiàn)，因此水也被譽為生命的象征，同時水也是探索地外生命的重要參考依據(jù)。