@ 2012.10.21 , 05:03

WHAT IF: 如果一场大雨中所有的水都在一滴雨中落下来?

网漫xkcd作者、前NASA机器人专家Randall Munroe最近在他的网站上开设了一个“来信侃”的问答栏目,专门回答一些奇奇怪怪的读者来信提出的假设的科学问题,下面是该栏目的一期:

下雨啦,如果一场大雨中所有的水都在一滴雨中落下来,会发生什么?
——Michael Mcneill

假设现在是仲夏,空气又热又潮湿。两位老人家坐在门廊的摇椅上闲聊。
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一朵黑压压的乌云出现在西南方的天际上。
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老人家们感到了轻风吹来,风铃开始叮叮当当的响起。天色渐渐暗下来了。黑云压城。这就是要将所有的水一次性扔向地面的积雨云。

如何计算这些水量呢?

空气中含有水分,如果我们想象天地间竖立起有一个很大的圆柱形玻璃罐,从地面直到云层顶部。我们把玻璃罐中的空气全部冷却。这样,水分就会凝结并下降汇集到玻璃罐底部。这样底部汇集的水可能有零到几十厘米深。这个水深就是这场雨的“水汽总量(TPW)”
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对于一般的雨,水汽总量是一到两厘米。
卫星可以探测出全球各地空气中水蒸气的含量。并绘制出很漂亮的地图。

假设这场暴雨的积雨云面覆盖100*100千米的区域,并且水汽总量很大,有6厘米。那么我们可以算出整场暴雨的总含水量:
100km×100km×6cm=0.6km3
水的密度是一立方米一吨。

1ton/m3×0.6×1000,000,000m3=600,000,000ton

水总量有6亿吨(话说这正好是我们所有人类加起来的重量啊)一般来说,这些水量中的大部分会以许许多多雨滴的形式分散落下。所谓“大部分”是因为空气中的水分不可能完全落到地下。空气还是保有一定的湿度。

在本文的研究中,我们假设所有的水都在离地几公里的空中凝结成一个圆形的大水珠。水珠的直径会有一千米。
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这个大家伙开始下落了。
在最初的5到6秒,我们不会看到有任何变化。接着,云层的下部开始向下突出。有一小会,这现象看起来像是龙卷风形成的前兆。接着,突出的部分开始变大,最后,在第十秒的时候,硕大雨滴的下部开始从云层中出现。
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雨滴的下落速度加快到每秒90米。(每小时324公里)呼啸的风将水球下表面吹散,来不及流走的空气被压入水球,因此,球体最下端的部分开始起泡。如果这个球体下落的高度足够高,时间足够长,水球会分散为散落的细小雨滴。但几千米的高度远远不够。

我们再假设有一个勇敢的人(比如妮妮)一直漂浮在这个大水球正中。那么,自从这个水球开始下落到现在,妮妮眼前一片黑暗,除此以外,什么都感觉不到。于是妮妮觉得无聊了,憋一口气游几百米,一直到水球的边缘,妮妮透过水看到了白天的亮光。然后妮妮就跳出水球,打开降落伞开始降落了。
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水球的底部开始着地了。此时,这个水球已经下落了20秒了。 这是,整个水球的下落速度是200 m/s (每小时720公里)。在着地的那一瞬间,水球前部的空气会被高度压缩。由此温度会急速升高,空气的瞬时温度能高达地上草草的燃点。
但是,草草们很幸运,这个温度只持续几纳秒。因为那个大冷水球到了。同样,草草们也很不幸,因为那个大冷水球的速度已经加到音速的一半了。

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水球离地面越来越近,空气压力的积累会使水球内部的压力增大。如果妮妮还在水球中,眼睛都会被压出来。几秒钟后,水球着地,内部压力瞬间蹿升,甚至高于马里亚纳海沟沟底的水压。这时候,水球外的妮妮还在空中拉着降落伞。

水球开始变形了。地面是不会变的。压力会使水球向两边散开。巨大压力挤压水球边上的空气以超音速向前喷射。路上的一切都会被吹跨。

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水墙向前推进,一千米接着一千米,摧毁路上的树木,房屋,车辆。那两位老人家(和没事找事的妮妮……)都灰飞烟灭了。在落地点附近20-30千米以内的一切都被摧毁了。只剩下陆地上的一片泥巴。在这个范围以外,由山脊保护的区域会免于受损。洪水开始冲入峡谷和河床。

几小时后,峡谷和河床的下游就能看到这一股壮观的洪水了。
各地的新闻机构纷纷报道这一灾难的洪水事件。一时间,谣言四起,人心惶惶。每一片新的云彩出现在天际都会让人无比惊恐。但几年过去了,这样的灾难没有重演。
气象学家们研究了很多年都没弄明白这件事的起因。终于,他们放弃了。这个事件被命名为“大水球事件”。因为就像一名研究者所说的,“这个水球真的很大。”本文译自 whatif,由译者 萝卜君 基于创作共用协议(BY-NC)发布。

#幸好只是假设……


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