云滴的秘密生活，由机载数字全息图证实的云内水滴聚集过程

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原文作者：密歇根理工大学
内容来源：Science Daily
翻译整理：北向
编辑排版：临近空间的奥秘编辑组

就像你在暴风雨中驾车时车窗上的雨滴一样，云中的雨滴因为通常不接触气流，所以会以流线的形式运动。然而，云中的空气往往是湍流，漩涡状的湍流空气会导致水滴聚集。

▲雨滴流线

20年来，大气科学家一直猜测云中确实聚集有水滴，这主要是由于人们知道湍流气流是充满了混合流体的旋转涡流。但是，云的漩涡规模如此之大，以至于人们怀疑计算机模拟的或实验室产生的湍流是否能转化为大气。大气科学研究人员将仪器带到大气中，并证实了水滴确实聚集在云中。

去年11月，《物理评论快报》上发表了一篇文章“大气云中的水滴聚集：来自机载数字全息图的三维径向分布函数”。为了得到上述结论，研究人员利用机载全息图利用被称为HOLODEC(云全息探测器的缩写)的机载全息仪器将他们的实验带到了天空中。该仪器固定在由国家大气研究中心（NCAR）和国家科学基金会（NSF）操控的环境研究飞机的GulfStudi-V高性能机载平台上。HOLODEC类似于一只爪子，它的尖头可以记录三维图像，以捕捉其间经过的所有事物的形状、大小和空间位置。

物理学教授、大气科学博士项目负责人Raymond Shaw说：“我们观察到的聚集信号非常弱，因此在科学领域，经常需要进行仔细的分析以检测到一个小信号，以说服自己它是真实的。”

横跨天空

Susanne Glienke是来自德国缅因州马克斯普朗克化学研究所和约翰内斯古登堡大学的密歇根理工学院的客座博士研究员，他完成了数据收集和全息图像分析工作。此后，她将信息传递给了查尔斯顿学院的副教授，也是密歇根理工学院的校友Mike Larsen，Mike Larsen通过计算两个相距某一特定距离的液滴的概率与两个在随机分布下相距相同距离的液滴的概率来观察液滴聚集的紧密程度。他最终得出结论：粒子距离越小，液滴的聚集越明显。

“如果水滴聚集在云中，它们更有可能碰撞，”Glienke 说。“碰撞会增加液滴的形成速度，进而可以减少降水开始前所需的时间。”

Glienke注意到，了解水滴的聚集可以提高对云的认识，并提高对云的预测：它们什么时候下雨？云会持续多久？

此外，除了影响降雨外，水滴的聚集也会降低云的寿命。如果云消散得越快，它对产生的能量越小——如果涉及到许多云，它还会影响全球气候。

这项实验需要飞机在一个恒定的高度通过积云层，进行连续的较长的样本采集。

Shaw说：“我们不确定能否探测到信号。我们所取样的云是弱湍流的，但其优点是它扩展超过数百公里，因此我们可以进行长时间取样并平均。”

海洋云的行为与陆地上的云不同。大陆云通常有较小的水滴，这是由于云凝结核更丰富，这是水凝结所需要的。大陆云通常更为动荡，更有可能聚集水滴。