آیا قطره باران شبیه اشک است

به گزارش خبرگزاری آنا؛ تقریبا هر کسی که از او بخواهند قطره باران را بکشد، همان شکل اشک آشنا را روی کاغذ می‌آورد.  «مدرسه علوم آب سازمان بررسی‌های زمین‌شناسی آمریکا» در توضیح خود به این نکته اشاره می‌کند که این باور آن‌قدر رایج است که حتی شخصیت انیمیشنی این سازمان، معروف به «دریپی»، با وجود اینکه قرار است نماد یک قطره باران باشد، در واقع شکلی شبیه قطره در حال چکیدن از شیر آب دارد، نه یک قطره باران واقعی. طراحان تبلیغات و تصویرگران کتاب‌های کودکان هم، طبق همین منبع، عمدتا همین تصویر نادرست را تکرار می‌کنند. «ناسا» (NASA) هم در یکی از ویدئو‌های آموزشی خود همین نکته را یادآوری می‌کند: تصور رایج ما از قطره باران یا شبیه اشک است یا شبیه قطره‌ای کشیده که از یک شیر آب چکه می‌کند، در حالی‌که قطره واقعی باران بیشتر شبیه نیمه بالایی یک نان همبرگری است؛ گرد در بالا و صاف در پایین.

از کجا شروع می‌شود؟ تولد یک قطره در دل ابر

برای فهمیدن شکل نهایی قطره، باید از ابتدای مسیر آن شروع کرد. طبق توضیح دیگری از «مدرسه علوم آب آمریکا» (Water Science School)، ابر‌ها از بخار آب معلق در هوا تشکیل شده‌اند که دور ذرات بسیار ریزی به نام «هسته‌های میعان» جمع می‌شوند؛ ذراتی مثل نمک باقی‌مانده از تبخیر آب دریا، یا گرد و غبار و دود. هر یک از این ذرات وقتی آب دورش را می‌گیرد، به قطره‌ای بسیار کوچک تبدیل می‌شود، با قطری میان یک‌ده‌هزارم تا پنج‌هزارم سانتی‌متر؛ قطره‌ای به‌قدری سبک که هنوز نمی‌تواند از ابر سقوط کند.

این قطره‌های ریز دائما در دل ابر با یکدیگر برخورد می‌کنند و به هم می‌پیوندند؛ فرایندی که به آن «ادغام قطرات» گفته می‌شود. هر قطره‌ی بزرگ‌تر، قطره‌های کوچک‌تر را در خود جذب می‌کند تا وقتی که آن‌قدر سنگین شود که دیگر ابر نتواند نگهش دارد و شروع به سقوط کند. طبق همین منبع، از قطر نیم‌میلی‌متر به بعد است که می‌توان به این قطره عنوان «قطره باران» داد. جالب اینکه گاهی وزش باد رو به بالا، قطره‌ی در حال سقوط را دوباره به درون ابر برمی‌گرداند تا مسیر جمع‌شدن را از سر بگیرد؛ به همین دلیل قطره‌های باران که سرانجام به زمین می‌رسند، اندازه‌های بسیار متفاوتی دارند.

این قطره‌های ریز دائما در دل ابر با یکدیگر برخورد می‌کنند و به هم می‌پیوندند؛ فرایندی که به آن «ادغام قطرات» گفته می‌شود. هر قطره بزرگ‌تر، قطره‌های کوچک‌تر را در خود جذب می‌کند تا وقتی که آن‌قدر سنگین شود که دیگر ابر نتواند نگهش دارد و شروع به سقوط کند. طبق همین منبع، از قطر نیم‌میلی‌متر به بعد است که می‌توان به این قطره عنوان «قطره باران» داد. جالب اینکه گاهی وزش باد رو به بالا، قطره در حال سقوط را دوباره به درون ابر برمی‌گرداند تا مسیر جمع‌شدن را از سر بگیرد؛ به همین دلیل قطره‌های باران که سرانجام به زمین می‌رسند، اندازه‌های بسیار متفاوتی دارند.

جنگ میان دو نیرو: کشش سطحی در برابر فشار هوا

اما چرا قطره‌های ریز کروی‌اند و قطره‌های بزرگ‌تر نه؟ بهترین توضیح این پدیده را «آلیستر فریزر» (Alister Fraser)، استاد هواشناسی دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا، ارائه داده که در صفحه سازمان زمین‌شناسی آمریکا نقل شده است. به گفته او، شکل قطره باران نتیجه‌ی یک کشمکش دائمی میان دو نیرو است: کشش سطحی آب از یک‌سو، و فشار هوایی که از پایین به قطره در حال سقوط وارد می‌شود از سوی دیگر.

وقتی قطره کوچک است -کمتر از یک میلی‌متر در شعاع- کشش سطحی برنده‌ی این کشمکش است و قطره را به شکل کره درمی‌آورد. «ناسا» در صفحه آموزشی دیگری با عنوان «شکل یک قطره باران» دلیل این کشش سطحی را هم توضیح می‌دهد: مولکول‌های آب به‌خاطر پیوند‌های هیدروژنی ضعیفی که با یکدیگر دارند، بیشتر تمایل دارند به هم بچسبند تا به هوای اطراف، و همین باعث می‌شود سطح قطره مثل یک «پوسته» نامرئی عمل کند و آن را در کوچک‌ترین شکل ممکن -یعنی کره- نگه دارد.

اما با بزرگ‌تر شدن قطره، سرعت سقوطش هم بیشتر می‌شود و فشار هوا از پایین قطره افزایش می‌یابد. طبق توضیح ویدئوی آموزشی ناسا، جریان هوا در زیر قطره بیشتر از جریان هوا در بالای آن است، و همین اختلاف باعث می‌شود پایین قطره صاف و حتی کمی گود شود، در حالی‌که بالای قطره به‌خاطر همان کشش سطحی همچنان گرد باقی می‌ماند؛ دقیقاً همان شکلی که -به تعبیر خود ناسا- آن را شبیه نان همبرگری یا حتی یک لوبیا قرمز می‌کند.

از کره تا نان همبرگری تا چتر نجات: مراحل تغییر شکل

با کنار هم گذاشتن این منابع، می‌توان مسیر تغییر شکل قطره را در چند مرحله دنبال کرد. قطره‌های کوچک‌تر از یک میلی‌متر تقریباً کاملاً کروی می‌مانند. قطره‌هایی با قطر دو تا سه میلی‌متر، به اندازه‌ای بزرگ شده‌اند که فشار هوا شروع به تخت کردن پایین‌شان می‌کند و شکلی شبیه نان همبرگری یا لوبیا قرمز پیدا می‌کنند.

اما داستان قطره‌های بزرگ‌تر متفاوت‌تر است. طبق توضیح آلیستر فریزر در سایت سازمان زمین‌شناسی آمریکا، وقتی شعاع قطره از حدود ۴ تا ۴.۵ میلی‌متر بگذرد، شکل آن ناگهان به چیزی شبیه چتر نجات با یک حلقه آب دور پایه‌اش تغییر می‌کند و بلافاصله به قطره‌های کوچک‌تر می‌شکند؛ یعنی قطره باران هرگز بی‌نهایت بزرگ نمی‌شود، چون طبیعت خودش مرزی برایش تعیین کرده است.

نگاهی از فضا: قطره‌هایی که حالا از ماهواره هم دیده می‌شوند

فهم شکل و اندازه‌ی قطره‌های باران فقط یک کنجکاوی علمی نیست، بلکه کاربرد عملی هم دارد. طبق توضیح ناسا، ماهواره‌ی اصلی برنامه‌ی سنجش بارش جهانی این سازمان -که با همکاری آژانس فضایی ژاپن اداره می‌شود- با دو ابزار ویژه -یک تصویربردار میکروویو چندکاناله و یک رادار دوفرکانسی بارش- می‌تواند لایه‌به‌لایه اندازه‌ی قطره‌های باران را در دل ابر‌ها اندازه‌گیری کند. داده‌های این ماهواره هر سه ساعت یک‌بار از سراسر جهان جمع‌آوری می‌شود و هم برای پیش‌بینی‌های هواشناسی و هم برای مطالعات اقلیمی به کار می‌رود؛ یعنی همان فیزیک ساده‌ای که شکل یک قطره باران را تعیین می‌کند، حالا به ابزاری برای فهم بهتر توفان‌ها و اقلیم زمین از فضا تبدیل شده است.

در نهایت، دفعه بعد که باران می‌بارد، ارزشش را دارد یک لحظه به قطره‌هایی که روی شیشه می‌نشینند نگاه کنید؛ آنها هیچ‌کدام شکل اشک ندارند، بلکه هرکدام، بسته به اندازه‌شان، برنده‌ی متفاوتی از یک نبرد نامرئی میان آب و هوا هستند.