Дождевые капли и облачные капельки

Что такое дождевая капля? Чем она отличается от капельки в облаке? Прежде чем говорить о том, как образуется дождевая капля, следует дать ответы на эти вопросы.

Фого VIII, Водяная капля, падаюшая в спокойном воздухе. Горизонтальный диаметр этой капли 6,5 мм; она падает со скоростью 8,9 м/сек

Обычно дождевую каплю рисуют в виде груши. Однако теперь мы знаем, что большие дождевые капли больше напоминают круглую булочку (фото VIII). Они плоские у основания и округлые у вершины. Когда капли падают, их форма меняется, как будто вода в капле "пульсирует" вверх и вниз. Поверхностное натяжение воды делает поведение капли чем-то похожим на поведение наполненного водой шара на конце веревки. У очень больших капель пульсация иногда становится настолько сильной, что капля разбрызгивается на множество мелких капелек. Когда мы говорим о поверхностном натяжении, то имеем в виду силу, действующую между молекулами воды и стягивающую их вместе. Вы можете познакомиться с проявлением этой силы, если наполните стакан водой так, чтобы уровень воды стал выше края стакана. Конечно, лить воду надо медленно и осторожно.

Когда капельки воды очень малы (их диаметр меньше нескольких сотых микрона), поверхностное натяжение стягивает воду к центру капельки. В результате капельки приобретают форму правильного шара. Когда капли становятся больше, они деформируются. При диаметре в несколько миллиметров форма, показанная на фото VIII, становится уже правилом.

Типичная дождевая капля имеет радиус 1 мм, т. е. 1000 микрон. В главе 3 уже отмечалось, что средний радиус капельки в облаке примерно 10 микрон. Предполо--жим для простоты, что дождевые капли и облачные капельки шарообразны. Из геометрии известно, что объем шара вычисляется по формуле

где π-постоянная, равная 3,14, а r - радиус капельки. Подставив в эту формулу величины радиусов облачной капельки и дождевой капли, можно вычислить объем каждой из них. Оказывается, дождевая капля имеет объем, в миллион раз больший, чем облачная капелька. Отсюда следует, что для образования одной дождевой капли должен слиться миллион облачных капелек.

Как отмечалось в главе 3, число облачных капелек в 1 см³ воздуха изменяется примерно от 50 до нескольких сотен. Будем считать, что 100 капелек в 1 см³ - средняя величина. Конечно, дождевые капли гораздо малочисленнее: в 1 м³ их содержится от нескольких сотен до нескольких тысяч. Примем в качестве среднего значения 500 дождевых капель в 1 м³. Эти данные показывают, что облачных капелек примерно в 200 000 раз больше, чем дождевых.

Читатель с математическим складом ума может подумать, что для образования дождевых капель вода должна поступать откуда-то извне. В самом деле, если дождевая капля содержит воду миллиона облачных капелек, но число последних в 1 м³ только в 200 000 раз больше, чем число дождевых капель, то сразу возникает вопрос: хватит ли воды для образования фактически наблюдаемого числа дождевых капель? Это кажущееся противоречие разрешается тем, что область, содержащая облачные капельки, более чем в 10 раз превышает по размерам область, содержащую дождевые капли среднего размера.

Теперь перед нами встает вопрос: каким образом природа объединяет миллион облачных капелек, чтобы образовать каплю дождя?