Падаючі краплі дощу або граду виявилися здатні призводити до гомогенної нуклеації в насиченому парі, формування нових крапель і утворення хмар. Міжнародний колектив вчених вивчив цей механізм експериментально на модельній системі з гексафториду сірки і гелію. Дослідження опубліковано в.
Одним з важливих процесів при формуванні хмар є нуклеація - утворення крапель рідини з насиченої пари. Це може відбуватися за гомогеним механізмом при конденсації рідини безпосередньо з перенасиченого пари або за гетерогенним механізмом - при введенні в перенасичений пар додаткових центрів конденсації.
Процеси, що відбуваються при утворенні хмар, визначають їх властивості і форму, часто досить незвичайну. Для опису явищ, які відбуваються в хмарах при зливах, було запропоновано досить багато різних моделей як з урахуванням введення центрів конденсації, так і без них. Однак і теоретичне, і експериментальне дослідження в лабораторних умовах таких процесів досить важко через те, що відбуваються вони в багатофазній і сильно нерівноважній системі, що включає в себе насичений пар рідини, рідкі краплі і крижані частинки - і все це в турбулентних потоках інертного газового середовища.
У своєму новому дослідженні міжнародна група вчених з Німеччини, Франції та США вивчила, що відбувається в грозових хмарах під час дощу, провівши експеримент у спрощеній модельній системі. В якості рідкої випаровується фази фізики використовували гексафторид сірки SF6, а в якості сухого газового компонента - гелій. Така багатофазна багатокомпонентна система була поміщена в невелику комірку, температура верхньої і нижньої стінок якої контролювалася.
У нижній частині комірки гексафторид сірки знаходився в рідкому стані. При цьому дно осередку нагрівалося так, щоб над рідиною весь час перебував насичений пар. Верхня стінка комірки, навпаки, охолоджувалася, що призводило до конденсації на ній рідини, яка потім падала вниз у вигляді окремих крапель. За процесом падіння цих крапель вчені спостерігали за допомогою високошвидкісної камери.
Вивчивши відео, вчені виявили, що падіння краплі міліметрового розміру призводить до утворення в сліді за нею більш маленьких мікрокапелек. При цьому фізики спеціально зазначають, що крапля занурювалася в рідину без видимого сплеску і утворення мікрокапель відбувалося безпосередньо з насиченої пари.
Для пояснення результатів експерименту вчені висунули гіпотезу, що падіння краплі призводить до утворення за нею області рясного охолодження. Пар гексафториду сірки в цій області стає перенасиченим, і це призводить до гомогенної нуклеації і формування в ній аерозолю з нових мікрокапель. Для підтвердження своєї гіпотези вчені навели кількісні оцінки, які підтвердили запропонований механізм.
За твердженням вчених, такі ж процеси відбуваються і в грозових хмарах при падінні крапель дощу або граду. Крім того, у своєму експерименті дослідники виявили утворення стійкої горизонтальної поверхні, яка розділяє в системі зони ненасиченого і перенасиченого пара рідини. Зона ненасиченого газу формується біля поверхні, а зона з великою кількістю мікрокапелек - у верхній частині системи. Фактично, шар, що утворився, є зменшеною моделлю сформованої хмари.
Незважаючи на те, що все більше процесів, що протікають у грозових хмарах, вдається пояснити, в них, як і в інших сильно нерівноважних системах, залишається багато незрозумілого. Наприклад, через що грозові хмари здатні накопичувати в собі античастинки.