Для современной науки одна из самых интересных проблем — объяснение механизма формирования облаков. Конечно, в целом все понятно: при такой-то температуре и таком-то давлении водяной пар в атмосфере конденсируется в небольшие капли, которые и образуют облака. Капли сливаются, достигают крупных размеров и падают дождем. Но дьявол, как всегда, в деталях.
Витая в облаках: Рост капель

Иногда конденсация капель в небе происходит так быстро, что все модели, построенные из описанной выше нехитрой картины, не срабатывают. Наверняка и вам приходилось иногда собственными глазами видеть, как облака появляются в воздухе буквально на глазах, быстро растут, «набухают» и проливаются дождем. Ученые даже провели соответствующие измерения: капли диаметром 15 мкм (слишком мелкие для дождя) могут вырасти до 50 мкм меньше чем за полчаса. Это слишком быстро.

Вопрос, как и отчего такое происходит, остается открытым. Пока что объяснить такую скорость не в состоянии ни одна из имеющихся моделей, описывающих образование и рост капель воды. Объяснение появилось лишь недавно, благодаря работе ученых из Великобритании Василиоса Далласа (Vassilios Dallas) и Кристоса Вассиликоса (Christos Vassilicos).

Главным героем их исследования стало число Стокса, характеризующее взаимодействие частиц во взвеси (в том числе и капель воды в облаке). Если оно мало, капли следуют за микропотоками воздуха — и огибают встречающиеся другие капли, редко сталкиваясь с ними. И наоборот, если велико, они, как правило, сталкиваются, как правило, сливаясь друг с другом. Эта безразмерная величина зависит, в том числе, и от диаметра частиц — даже квадрата этой величины.

Так вот, пока облако формируется, размер самих капель невелик, и число Стокса совсем невысоко; капли сталкиваются редко. А уже после того, как облако образовалось, капли становятся крупнее, и число Стокса быстро растет; капли легко сталкиваются и быстро растут. В какой-то момент происходит переход от небольших величин — резко — к большим. В какой же именно? Это похоже на проблему курицы и яйца: капли не могут быстро расти, пока число Стокса невелико, но число Стокса не может увеличиться, пока капли не станут достаточно крупными.

Как показали Даллас и Вассиликос, важный вклад в этот механизм вносят турбулентные потоки воздуха. Они обратили внимание на то, что турбулентные завихрения в воздухе наблюдаются на широкой масштабной шкале, в том числе и микрометровых размеров, порядка величины капель воды. Это вносит почти настоящий хаос в вычисления числа Стокса для данных условий, поскольку его величина зависит также и от скорости среды. Даже когда капля, казалось бы, слишком мала, число Стокса может внезапно подскочить, приводя к тому, что она с другой столкнется и сольется. Именно турбулентность может подхлестывать и ускорять образование дождевых облаков.

Читайте также о том, как появление облаков можно вызвать лазером: «Дождь вызывали?»

По публикации physics arXiv blog