Падающие капли дождя или града оказались способны приводить к гомогенной нуклеации в насыщенном паре, формированию новых капель и образованию облаков. Международный коллектив ученых изучил этот механизм экспериментально на модельной системе из гексафторида серы и гелия. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.
Одним из важных процессов при формировании облаков является нуклеация — образование капель жидкости из насыщенного пара. Это может происходить по гомогенному механизму при конденсации жидкости непосредственно из перенасыщенного пара или по гетерогенному механизму — при введении в перенасыщенный пар дополнительных центров конденсации.
Процессы, происходящие при образовании облаков, определяют их свойства и форму, часто довольно необычную. Для описания явлений, которые происходят в облаках при ливнях, было предложено достаточно много различных моделей как с учетом введения центров конденсации, так и без них. Однако и теоретическое, и экспериментальное исследование в лабораторных условиях таких процессов весьма затруднительно из-за того, что происходят они в многофазной и сильно неравновесной системе, включающей в себя насыщенный пар жидкости, жидкие капли и ледяные частички — и все это в турбулентных потоках инертной газовой среды.
В своем новом исследовании международная группа ученых из Германии, Франции и США изучила, что происходит в грозовых облаках во время дождя, проведя эксперимент в упрощенной модельной системе. В качестве жидкой испаряющейся фазы физики использовали гексафторид серы SF6, а в качестве сухого газового компонента — гелий. Такая многофазная многокомпонентная система была помещена в небольшую ячейку, температура верхней и нижней стенок которой контролировалась.
В нижней части ячейки гексафторид серы находился в жидком состоянии. При этом дно ячейки нагревалось так, чтобы над жидкостью все время находился насыщенный пар. Верхняя стенка ячейки, наоборот, охлаждалась, что приводило к конденсации на ней жидкости, которая затем падала вниз в виде отдельных капель. За процессом падения этих капель ученые наблюдали с помощью высокоскоростной камеры.
Изучив видео, ученые обнаружили, что падение капли миллиметрового размера приводит к образованию в следе за ней более маленьких микрокапелек. При этом физики специально отмечают, что капля погружалась в жидкость без видимого всплеска и образование микрокапель происходило непосредственно из насыщенного пара.
Для объяснения результатов эксперимента ученые выдвинули гипотезу, что падение капли приводит к образованию за ней области изобарного охлаждения. Пар гексафторида серы в этой области становится перенасыщенным, и это приводит к гомогенной нуклеации и формированию в ней аэрозоля из новых микрокапель. Для подтверждения своей гипотезы ученые привели количественные оценки, которые подтвердили предложенный механизм.
По утверждению ученых, такие же процессы происходят и в грозовых облаках при падении капель дождя или града. Кроме того, в своем эксперименте исследователи обнаружили образование устойчивой горизонтальной поверхности, которая разделяет в системе зоны ненасыщенного и перенасыщенного пара жидкости. Зона ненасыщенного газа формируется около поверхности, а зона с большим количеством микрокапелек — в верхней части системы. Фактически, образовавшийся слой является уменьшенной моделью сформированного облака.
Несмотря на то, что все больше процессов, протекающих в грозовых облаках, удается объяснить, в них, как и в других сильно неравновесных системах, остается много непонятного. Например, из-за чего грозовые облака способны накапливать в себе античастицы.