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  • 1 # 大美科學

    這個問題其實還是比較簡單的(雨水的比較難理解),只要瞭解了你所提的三種水的形態的形成過成你就會明白它們為什麼不會是整塊下落了。

    雪花的形成

    可能很多人下意識的認為打雪仗的時候可以把雪團成雪球,感覺雪跟棉花差不離,再看到厚厚的積雪就認為雪從天而降也可以在天上把自己團起來。

    其實不然,早在公元前一百多年的西漢文帝時代,有位名叫韓嬰的文人,他寫了一本《韓詩外傳》,在書中明確指出,“凡草木花多五出,雪花獨六出。”

    這是什麼意思呢?意思是,每一個雪花都是六邊形的獨立個體。最早的關於雪花形態的科學論文《論六角形雪花》是由德國科學家開普勒在四百年前發表的。在論文中,這位“天空立法者”為大家詳細的講解了雪花到底是種什麼樣的存在。

    研究表明,這和水汽凝華結晶時的晶體習性有關。空中的水汽凝華結晶成的雪花和天然水凍結的冰都屬於六方晶系。由水分子構成的冰晶形狀就是由表面張力決定的,冰晶突起朝六個方向延伸。

    六方晶系具有四個結晶軸,其中三個輔軸在一個基面上,互相以60°的角度相交,第四軸(主晶軸)與三個輔軸所形成的基面垂直。如下圖

    六方晶系最典型的代表就像是幾何學上的一個正六面柱體。當水汽凝華結晶的時候,如果主晶軸比其它三個輔軸發育得慢,並且很短,那麼晶體就形成片狀;倘若主晶軸發育很快,延伸很長,那麼晶體就形成柱狀。

    雪花之所以一般是六角形的,是因為沿主晶軸方向晶體生長的速度要比沿三個輔軸方向慢得多的緣故。

    所以在微距攝影下你能看到雪花真正的樣子(下圖)

    所以說,每一個雪花都是獨立的小小的六方晶,無論在天上風怎麼吹,它們也不會像棉花一樣變成大團降下。

    冰雹的形成

    冰雹成因與雪花不同,冰雹並不是雪花在天上自己抱團變成的冰...

    冰雹是從積雨雲中降落下來的一種固態降水,形成過程也沒有雪花那麼具有“藝術氣質”了。

    它主要發生在春夏之交的過渡季節對流發展旺盛的時候。冰雹的形狀很多,有球狀、圓錐狀、橢球狀或其它不規則的形狀。冰雹的核心是由霰或凍結的雨滴構成,一般直徑約為0.2~0.3毫米,大的直徑可達6毫米。外面交替地包以透明和不透明的冰層,通常可以有3~5層,多的可達28層(你如果強行說這算結塊我也無話可說)。

    能把車變成這樣的冰雹也僅僅才雞蛋大小(上圖)

    冰雹的大小也很不相同,最常見的是直徑介於0.5~3釐米之間的,最大的冰雹可達數千克重。在中國曾出現過4.5千克的冰雹(這就算是傳說中的一整塊?),但世界各地降大冰雹的機率是比較小的。

    雨水與瑞利不穩定性(Plateau–Rayleigh instability)

    雨滴的形成大家應該不陌生。

    簡單來說,陸地和海洋表面的水蒸發變成水蒸氣,水蒸氣上升到一定高度後遇冷變成小水滴,這些小水滴組成了雲,它們在雲裡互相碰撞,合併成大水滴,當它大到空氣託不住的時候,就從雲中落了下來,形成了雨。

    但是雨為何成滴落下,而不呈現那種潑水似的下降是有一些複雜的。

    先總結一句話:雨滴形成時即為水滴(有大有小);水滴水柱下落時均為滴狀。

    上述結論原理可以用瑞利不穩定性來解釋。

    MIT曾經辦了一堂關於表面張力的公開課,在無重力的條件下進行了一次推導。

    我們都知道水是連續的,重力加速度可以使下落的水柱拉伸成上粗下細的錐形柱體,但不會使之斷裂,使之斷裂變為大小水滴的真正的原因是因為Plateau–Rayleigh instability(瑞利不穩定性),這是一個是描述水柱流動過程中的擾動現象。Plateau首先對其進行測量(1873),接著Rayleigh(1878)提出數學模型進行解釋。

    微小擾動的成因是因為從微觀上來看,水的區域性表面張力並不是平衡的(應該是由於分子熱運動),而是動態變化的,可以用一個正弦波來描述這個擾動,波動使水柱某些部分半徑增大,某些部分半徑減小(見下圖),半徑變化的函式表示式見下圖1,帶來的壓強變化見下圖2

    本來半徑變大,會使表面張力帶來的壓強減小

    但是波動又會帶來壓強的增加,比較波峰波谷兩處壓強的變化,可得擾動較小時,即波峰處壓強較大,波谷處壓強較小,可以恢復平衡(想象此處壓力較大,把波峰壓平);當擾動較大,波谷處壓強較大,會掐斷水柱,形成水滴。(水柱斷裂過程見下圖)

    而隨著時間增長,擾動波會越來越強烈(perturbations growth),當達到一個臨界半徑(critical length)時就會斷裂形成水滴。之前說到的是無重力情況下,水柱落下都會成滴。那麼迴歸到“下雨”,重力出現了,重力的作用會把水柱拉細,即半徑減小,從而更容易掐斷。所以重力是促因,但是真正斷裂的原因是因為瑞利不穩定性。

    所以綜上所述,“下雨”必成滴!

    部分文字參考資料:Plateau–Rayleigh instability 維基

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