Дождь идёт вниз. Но в момент встречи капли с землёй часть воды может отправиться в обратную сторону: не крупными брызгами, а облачком крошечных капелек. Один из механизмов этого выброса скрывается внутри самой упавшей капли. В ней возникают пузырьки воздуха, которые затем лопаются и выбрасывают жидкость вверх.
Обычным взглядом такую последовательность не разглядеть. Мы замечаем мокрое пятно и, возможно, несколько брызг. Для исследователей же короткий удар оказался целой цепочкой событий, связывающей почву и воздух. Это помогает по-новому посмотреть даже на знакомый запах первых капель после сухой погоды.
Пузырьки там, где мы их не ждём
В 2015 году исследователи Массачусетского технологического института Ёнсу Чон и Каллен Бьюи описали образование аэрозоля при падении капель на смачиваемые пористые поверхности. Среди них были как искусственные материалы, так и почвы.
При ударе капля растекается. Между водой и неровной поверхностью захватывается тонкий слой воздуха, который может разделиться на маленькие пузырьки. Затем часть жидкости уходит в поры материала, слой воды становится тоньше, а пузырьки могут расти за счёт воздуха из пор.
В какой-то момент пузырёк достигает свободной поверхности воды. Когда он лопается, возникают тонкие струйки, от которых отделяются микрокапли. В подходящих условиях множество пузырьков почти одновременно достигают поверхности, и выброс становится особенно интенсивным.
Здесь важно не перепутать причину со знакомой картинкой брызг. Крупная капля может разбрызгиваться разными способами. В описанном механизме решающую роль играет воздух, захваченный внутри жидкости, а не только разлетающийся край водяной «короны».
Поэтому почва оказывается не просто мишенью для удара. Её поры участвуют в процессе: от того, как материал впитывает воду, зависит судьба пузырьков. Мокрое пятно на земле скрывает обмен сразу между тремя участниками: твёрдой поверхностью, водой и воздухом.
Что именно называется аэрозолем
Слово «аэрозоль» часто напоминает о баллончике с распылителем. В физике оно означает гораздо более широкую вещь: мелкие жидкие капли или твёрдые частицы, взвешенные в газе. Морские солевые частицы, пыль и крошечные капельки в воздухе могут относиться к аэрозолям, хотя возникли совсем по-разному.
В этом опыте речь прежде всего о маленьких каплях жидкости. Их не следует путать с водяным паром: пар состоит из отдельных молекул воды, а капелька остаётся жидким объектом. Это различие важно для переноса материала. Вместе с жидкостью в воздух могут попасть вещества и частицы с поверхности, по которой только что ударил дождь.
Само появление аэрозоля ещё не говорит, как далеко он улетит. На дальнейший путь влияют размер частиц и движение воздуха. Лабораторный выброс над образцом и перенос через целый ландшафт представляют собой разные этапы, которые нельзя автоматически приравнивать друг к другу.
Шестьсот опытов вместо одного красивого кадра
Команда провела около 600 опытов с 28 типами поверхностей: двенадцатью искусственными материалами и шестнадцатью образцами почв. Образцы собирали в том числе рядом с MIT, у реки Чарльз и на пляже. Это позволяло сравнить разные условия, а не делать вывод по единственной удачной капле.
Отдельно изучали, как вода поднимается по образцу под действием капиллярных сил. В опытах с ударами капли сбрасывали с разной высоты, меняя скорость встречи с поверхностью. Высокоскоростные камеры показывали то, чего глаз не успевал заметить.
Так возникла возможность сопоставить два процесса: растекание капли после удара и впитывание воды материалом. Для интенсивного выброса они должны сочетаться подходящим образом. Простого правила «быстрее ударилась, сильнее распылилась» не получилось.
В исследованных условиях больше микрокапель образовывалось при скоростях, соответствующих слабому и умеренному дождю, чем сильному. При увеличении скорости менялись толщина растёкшегося слоя воды и характер разбрызгивания, поэтому условия для пузырькового выброса становились менее благоприятными. Поэтому силу видимого дождя нельзя считать прямым измерителем активности этого микроскопического распылителя.
И это ещё одна причина не переносить результат на всё мокрое вокруг. Почва, стекло, лист и лужа по-разному взаимодействуют с каплей. Исследование объясняет определённый механизм при определённых условиях, а не любые брызги вообще.
Запах получил имя раньше, чем нашли этот механизм
Землистый аромат после дождя давно привлекал внимание. В 1964 году сотрудники австралийской CSIRO Изабель Джой Беар и Ричард Томас опубликовали в Nature работу, связанную с запахом увлажнённых сухих пород и почв. Они предложили название «петрикор».
В его основе греческие слова, связанные с камнем и ихором, мифологической кровью богов. За поэтичным именем стояли вполне вещественные опыты: исследователи получали пахучее желтоватое масло при перегонке с паром пород, ранее находившихся в тёплых сухих условиях.
Но установить, с чем связан запах, и объяснить, как его носители оказываются в воздухе, не одно и то же. Именно во вторую часть этой истории вписывается работа MIT. В 2015 году авторы предположили, что обнаруженный выброс микрокапель может помогать переносить вещества, участвующие в появлении петрикора.
Слово «предположили» здесь важно. Камера непосредственно показывала пузырьки и аэрозоль, а не доказывала происхождение любого запаха во время дождя. Даже убедительный физический путь переноса не превращается автоматически в полное объяснение сложной смеси ароматов.
От окрашенной капли к живым пассажирам
Чтобы проверить перенос материала, исследователи использовали флуоресцентный краситель. Его находили в выброшенных микрокаплях: вода действительно могла унести с поверхности нечто помимо самой себя.
В последующей работе, опубликованной в 2017 году, учёные исследовали уже перенос почвенных бактерий. В подготовленные образцы вносили выбранные культуры, а выброшенные капли собирали на расположенные выше пластины. Флуоресцентная микроскопия позволяла различить капли и находившиеся в них клетки. Дополнительные тесты подтвердили, что часть перенесённых бактерий сохраняла жизнеспособность.
Это результат контролируемого эксперимента, а не доказательство того, что любая прогулка под дождём представляет опасность. Работа показывает возможный путь перемещения микроорганизмов; оценка конкретного риска требует совсем других данных.
В той же работе авторы отметили ещё одну границу механизма: он особенно актуален, пока почва не полностью промокла. После нескольких ударов в одно место может появиться водяная плёнка, и характер разбрызгивания меняется. Начало дождя и давно залитая водой поверхность не обязаны вести себя одинаково.
У воды есть обратный маршрут
Дождь действительно может вымывать аэрозольные частицы из атмосферы. Но это не запрещает ему одновременно создавать новые микрокапли у самой земли. Противоречия нет: удаление частиц из воздуха и их локальный выброс с поверхности являются разными процессами.
Самое неожиданное здесь поэтому не в том, что дождь брызгается. Удивительно, насколько сложным оказался один короткий удар. Пока мы смотрим на падающую воду, у земли успевают образоваться пузырьки, измениться толщина жидкого слоя и начаться обратный путь. Капля приносит воду на поверхность, но иногда заодно помогает чему-то с этой поверхности подняться в воздух.
Источники
- MIT: Rainfall can release aerosols, study finds. 14 января 2015 года.
- Joung, Y. S., Buie, C. R. Aerosol generation by raindrop impact on soil. Nature Communications 6, 6083 (2015).
- CSIRO: история исследований петрикора и происхождения термина.
- Joung, Ge, Buie. Bioaerosol generation by raindrops on soil. Nature Communications, 2017.
- NASA Earth Observatory: Aerosols: Tiny Particles, Big Impact.
