پژوهشگران فرانسوی با مدل‌سازی زیبایی از قطرات باران به این نتیجه رسیده‌اند که یک قطره آب می‌تواند بارانی از ریزقطره‌ها را ایجاد کند که تمام ویژ‌گی‌های باران را در خود دارند. تا پیش از این دانشمندان فکر می‌کردند که الگوی ابعاد قطرات باران که هنگام رسیدن آنها به زمین دیده می‌شود، ناشی از تصادم قطرات آب در هنگام سقوط است.
امانوئل ویلرمو، از متخصصان دینامیک سیالات دانشگاه مارسی و بنجامین بوسا دانشجوی کارشناسی ارشد این دانشگاه، از سقوط قطرات کوچک آب از یک شیر آب، فیلم‌برداری کردند تا ببینند که هنگام سقوط قطرات آب چه بر سر آنها می‌آید.
آنها متوجه شدند که همزمان با شتاب گرفتن قطره آب، مقاومت هوا بر روی آن افزایش می‌یابد؛ تا جایی که بر نیروهای چسبندگی بین مولکول‌های آب که مولکول‌های آن قطره را در کنار هم قرار می‌دهد، برتری می‌یابد و پس از آن، قطره آب به بارانی از ریزقطره‌ها تبدیل می‌شود.
ولی انجام این آزمایش و تماشای این صحنه مشکلاتی نیز داشت. ویلرمو می‌گوید: «این آزمایش نیاز به ارتفاعی در حدود 10 متر دارد، و این برای یک آزمایشگاه استاندارد خیلی زیاد است». در نتیجه او و بوسا از قطرات آبی استفاده کردند که به هوا پرتاب می‌شدند. این‌چنین مقاومت هوا در مقابل قطرات در هنگام سقوط افزایش می‌یافت و این به آن معنی بود که قطعات در فاصله کمتری متلاشی و به ریز قطره تبدیل می‌شدند.
پژوهشگران می‌دانستند که در هوای آرام، یک قطره در ابتدا به شکل یک کلوچه در می‌آید، سپس شکل یک کاسه رو به بالا را به خود می‌گیرد، و در نهایت متلاشی شده و به ریزقطره‌ها تبدیل می‌شود. ویلرمو و بوسا از این تغییر شکل‌ها و مشاهدات خود برای ربط دادن تلاشی یک قطره در اثر مقاومت هوا با توزیع اندازه قطرات باران در رگبارها استفاده کردند. مدل آنها که در مجله nature physics منتشر شده، نشان می‌دهد که انفجار یک قطره به ریزقطره‌ها برای تشریح نحوه توزیع ابعاد قطرات باران در هنگام رسیدن به زمین کافی است.
درسی از تاریخ
کار ویلرمو روی قطرات باران با الهام از یک کشاورز اهل ورمونت به نام ویلسون بنتلی انجام شد. بیشتر از 100 سال پیش، بنتلی دو بشقاب را با لایه‌ای از آرد پر کرد و آن دو را برای یک بازه زمانی کوتاه زیر باران قرار داد. او قسمت‌های مرطوب آرد را اندازه گرفت، و با استفاده از این روش توانست به تخمینی از تعداد و ابعاد قطرات باران برسد.
ویلرمو می‌گوید: «او هیچ دوربین سریعی در اختیار نداشت، ولی هوش بالایی داشت. او اولین کسی بود که به این نکته توجه کرد که در باران، سوال اصلی این نیست که اندازه قطرات چقدر است؟ بلکه سوال اصلی این است که چرا این توزیع از اندازه قطرات وجود دارد؟».
این توزیع ارتباط نزدیکی با شدت باران دارد. اندازه‌گیری‌هایی که بیش از 60 سال پیش از این و توسط استوارت مارشال و والتر پالمر از دانشگاه مک‌گیل در مونترال کانادا انجام شد، نشان داد که ابعاد قطرات در طوفان‌های شدید توزیع خیلی گسترده‌تری به نسبت یک بارش آرام دارد. ویلرمو و بوسا توزیع مارشال- پالمر را در تحقیق خود برای یافتن پاسخ سوال بنتلی، باز تولید کردند.
پاسخ ساده‌تر از آن چیزی بود که دانشمندان فکر می‌کردند: مکانیزمی که در پس اندازه و توزیع ریزقطره‌ها وجود دارد، می‌تواند همان مکانیزمی باشد که سبب متلاشی شدن یک قطره آب به ریزقطره‌ها می‌شود. زمانی که برای سقوط یک قطره از پایین یک ابر و متلاشی شدن آن به ریزقطره‌ها صرف می‌شود، معمولا کمتر از زمانی است که برای تصادم دو قطره در درون یک ابر مورد نیاز است.
ینس اگرس، متخصص دینامیک سیالات از دانشگاه بریستول در انگلستان، می‌گوید: «من انتظار داشتم که همه چیز پیچیده‌تر شود، و خیلی از فرضیات تجربی ما بر هم بخورند. در عوض، نویسندگان این مقاله، بر پایه چند نظریه معدود فیزیکی، توانستند یک ارتباط تجربی زیبا را تشریح کنند: این به این معنا است که اندازه قطره با شدت باران یک ارتباط ساده و یکتا دارد».
یانگ لیو از آزمایشگاه ملی بروکهیون در آپتون نیویورک نیز با این نظر موافق است. او می‌گوید: «این کار جواب خیلی از سوال‌ها را داده است، ولی هنوز خیلی چیزها برای کشف کردن وجود دارد. برای مثال، بخش عمده از بارانی که به سطح زمین می‌رسد، از دانه‌های ذوب شده برف ناشی می‌شود.» حال سوال او این است که نظریه ویلرمو و بوسا چگونه می‌تواند نقش این دانه‌های برف را در توزیع اندازه قطرات باران توضیح دهد؟
نیچر، 20 جولای -ترجمه: مجید جویا
نظر شما