【科學講堂】水蒸氣高空凝結 微塵有助落雨
前陣子香港經歷了不少滂沱大雨，不知有否勾起大家的好奇心，回想雨的成因？其中一種雨水形成的原因便是水蒸氣在高空遇冷凝結，再因太重而下墜並溶化回水，就是下雨了。不過各位可能不知，下雨的機制當中還有不少我們不太理解的地方。近年有新的研究，豐富了我們對各種降雨成因的認識。今次就和大家分享一下這個故事。
凝結無雜質如蛇無頭
俗語說「蛇無頭而不行」，原來水分凝結，也需要有一個開始的起點；例如一顆水中的塵埃、容器中一個特別的地方。否則縱然溫度夠低，凝固過程還是無法開始。這有點兒像皮球立於山峰的頂端，假如周遭沒有哪一個方向特別凹了下去，那麼皮球反而會處於一個特別穩定的狀態，不會向任何方向滾下去。這種液體已經夠冷但還未有凝結的現象，稱之為「過冷」或「超冷凍」。
現實中亦有一種相類但可以說是相反的「過熱」現象：我們可以把一杯無雜質的水放進微波爐中加熱。微波爐能夠均勻地提升水分的溫度，而假如水中沒有雜質可以成為沸騰的起點，那麼這杯水就可以到達高於攝氏一百度的高溫，但卻不會沸騰。這其實是一個很危險的狀態：外表看起來這杯水十分平靜，但輕輕的晃動就可以提供一些沸騰的起點，從而驅使整杯水激烈地沸騰起來，極易燙傷附近的人。
說了這麼久，這些現象和下雨有什麼關係？前面提到，水蒸氣在上升過程中形成雲，而雲中的水分可能結為冰晶。在結成冰晶前，這些水分正好就處於「超冷凍」狀態，也需要一些「特別的地方」來讓凝固開始。在高空，這些「特別的地方」通常就會是塵埃的微粒。一顆微粒應該就只可以造成一顆冰粒凝結，不過科學家們發現造成一場雨的冰粒數目遠比塵埃的數目為多！那麼這些冰粒的凝結過程，又是怎樣開始的呢？難道一顆冰粒可以誘發更多冰粒的出現？
科學家們近日利用精準的X光及可見光，在實驗中仔細觀察冰粒凝固的過程，發現原來一顆冰粒真的可以造成更多的冰粒！一顆水滴凝結成冰，通常都是從外部開始。隨着凝固慢慢進行，表層的冰塊外殼就愈來愈厚，令中間還未結成冰的部分承受愈來愈大的壓力。當壓力變得過大，冰層就會裂開並向四周噴出較小的冰粒。正是這些小冰粒驅使了更多凝固的發生，製造出更多的冰粒。
小結
下雨如此常見的現象，沒有想到原來還有許多我們不了解的地方。現在先進的科技，可以進一步加深我們的認識。我們只要留心周遭，處處都是學問呢！
◆杜子航 教育工作者
早年學習理工科目，一直致力推動科學教育與科普工作，近年開始關注電腦發展對社會的影響。
