一颗雨滴的奇妙世界

刘浩天

在地球上，每天都会有无数的雨滴从天而降，这些雨滴虽看似平凡，但它们其实有着非常精彩的故事。

奇妙的旅程

每一颗雨滴在落到地面之前，大都经历过一段令人难以置信的旅程。比如一滴落在欧洲的雨水，它可能在9天前就开始旅行了。当时，那颗水滴或许正躺在纽约的港口晒太阳，但阳光使它变热，把它蒸发成了气体。水蒸气并不抱怨，它听从自然界的安排，一边慢慢地往上爬，一边被季风吹向东方。

在经历了长途跋涉之后，水蒸气来到欧洲上空，它的位置已经很高了，空气变得更加寒冷。水蒸气感到疲惫，它需要寻找一个地方来休息。在大约6000米的高度，水蒸气发现了一处可以“停靠”的地点，它抓住一个灰尘颗粒，变成了一个小冰晶—雨滴的“胚胎”。这个“胚胎”从周围的空气中提取水分，尺寸和重量越来越大，当云团挂不住它的时候，它开始跌落。雨滴在降落的过程中，会碰撞或融合其他的“小伙伴”，在25分钟的降落时间里，雨滴的尺寸变成了初始的20倍，最终其直径达到了2毫米。已有实验证明，如果一颗雨滴以每小时19千米的速度撞入水中，它可以穿过水面并仍然完好无损。

水分子需要微小颗粒来“停靠”，这对“雨滴”的形成非常重要。如果没有颗粒，就不会有云，也就不会产生降水。所以，能不能够产生降雨，很大程度上取决于微粒的数量。但是，问题又来了，在毗邻海域的沙漠地区，那里有着大量的水分和尘埃，但为什么始终缺少雨水呢？

问题的答案在于一个简单的比例：如果空气中微粒的浓度超过了每立方厘米1200个，由于微粒太多了，有限的水分子被分散到众多的微粒上，只能形成微小的雾霾，反而无法形成足够大的雨滴。

在天空中更高的地方，雾霾冷冻成细碎的冰粉末。这些冰粉末很不稳定又容易升华，它们的升华过程会影响气流层中水的循环过程，并阻碍雨滴的形成。在遭受严重空气污染的地区，这会导致一个潜在的恶性循环：虽然雨水在降落时能够冲刷灰尘和有毒气体（1公升的雨水可以清洁30万公升的空气），但是如果尘埃太多了（空气污染太严重了），能够带来降水的云彩会很少，不但雨水的清洁作用无法发挥，雾霾也会越来越多，空气质量仍会持续下降。

雨滴像眼泪？错了

恐怕没有人知道地球上每天会下多少场雨，有多少雨滴会落到地面上来。云团里面的小水滴或者小冰晶互相碰撞，合并在一起长大，直到整体的重量超过上升气流所能提供的向上的力量，它们在重力的作用下，落到地面上，形成降雨。

在降雨过程中，云层中的原始雨滴由于凝结核的大小不同，凝结发生的先后顺序不同，其大小是不相同的。并且大小水滴之间的碰撞，使大水滴不断增大，小水滴也会变小。当水滴不断增大，在空气中下降时就不再保持球形。开始下降时，水滴的底部平整，上部因表面张力而保持原来的球形。当水滴继续增大，在空气中下降时，除受到表面张力外，还要受到周围空气的压力以及重力的作用，二者的作用效果均随水滴的增长及下降而不断增大。在这三种力的作用下，水滴变形越来越剧烈，底部向内凹陷，形成一个空腔，形似降落伞。空腔越变越大，越变越深，上部越变越薄，最后破碎成许多大小不同的水滴—这才是我们在地面上所看到的雨滴。

我们常常把雨滴画成流线型的泪滴形状，但这是错误的。雨滴有大有小，其形状各不相同。直径小于0.25毫米的雨滴称为小雨滴，为球形；直径大于5.5毫米的雨滴称为大雨滴，大雨滴开始的形状为纺锤形，在下降的过程中因受到空气阻力的作用，其形状更像汉堡包，有着圆形的顶部和扁平的底部。

雨滴在空气中的降落速度最初是逐渐增大的，随着雨滴降落速度的增大，空气阻力也逐渐增大，雨滴的加速度则逐渐减小，最后加速度减为零，雨滴呈匀速下降。这时雨滴的降落速度达到最大值，叫“雨滴终速”。直径0.1毫米大小的雨滴，其雨滴终速是2～3米/秒，最大雨滴的下落速度为8～9米/秒。

如果一场暴风雨中的所有雨水汇聚成一整滴雨

如果在一场暴风雨中，所有的雨水在几千米高空汇聚成了一个巨大的水滴，成为一个直径超过1000米、重量达到6亿吨的水球，那会是怎样的情形？有科学家做出过如下推测：大概有五六秒的时间，人们看不出任何异常。之后，云层的底部向下隆起，在某一瞬间看起来，有点像正在形成的漏斗云。隆起逐渐变大，在第10秒，水滴会脱离云层落下来。

这个巨大的水滴以每秒90米（每小时324千米）的速度下落，狂风在水滴表面吹起水花。水滴的边缘会产生泡沫，因为空气被挤了进去。大约在水滴形成之后的第20秒，水滴的边缘触到了地面，此时它的运动速度超过了每秒200米。在撞击点的正下方，空气来不及排出，被压缩的空气迅速升温，瞬间可以达到几百摄氏度，几乎能点燃草地。

对草儿们来说，高温不过几毫秒，一大坨凉水便倾斜而至。但凉水的速度超过了音速的一半，小草估计会被水球砸到地底下了。同时，水球砸向地面，水球向下的压力遇到地面后，一部分被弹起，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。那部分被弹起的又落下，形成又一波奔流—这样一浪又一浪地向外扩张，像冲上岸的海啸巨浪一样，拔起树木，冲毁房屋，卷起土层，将沿途的一切毁灭殆尽，甚至20～30千米内的建筑物都会被破坏。只有被山脉保护的地区，才会幸免于难。

更远的地区基本上不会受到水浪的影响，然而下游几百米甚至上千米外的河流附近，在撞击后的几个小时内，将遭遇一次突如其来的洪水袭击。

悬浮的海洋

每颗雨滴自生自灭—水滴蒸发，水蒸气上升到空气中的冷层，形成云团，然后又凝聚成雨水滴落下来。但是，这些还不是“雨滴故事”的全部—我们往往忽略了雨滴们的规模和成分。其实在数千米甚至上万米的高空，亿万吨的云彩不仅在周游世界，而且在通过降雨的方式，对海洋、河流以及湖泊中的水分进行分配管理。据估计，地球每天有超过15万亿吨的水—整个地中海水量的3倍之多—正悬挂在我们的头顶上。它是一个盘旋在空中悬停的海洋，对于地球生命至关重要。没有雨水，植物、动物和人类将会在几年内统统消失。

我们头顶上这片巨大的、可谓是名副其实的海洋—每一颗雨滴所包含的都远不仅是水。科学家们分析了雨滴之后发现，促使它们形成的悬浮颗粒中，不仅含有火山灰、沙漠尘土或者海洋中的盐分，还含有细菌、病毒以及DNA分子。实际上，有一个包含着生命物质的海洋悬浮在我们的头顶上，数千种的细菌、小生物在环游世界，封存在雨滴中。当雨滴落下时，它们随之落入土地，生根发芽。

每天，都有亿万颗雨滴从天空落下，每一颗都代表一个迷人的小规模的宇宙。这小小的雨滴，折射的可真是大千世界！

（司志政摘自《大科技 百科新说》2015年第6期，Raven图）