Дождь с пузырями на лужах¶

Дождь с пузырями на лужах — атмосферное явление, при котором капли дождя, падая на поверхность лужи или другой водоём, образуют заметные воздушные пузыри, а не лишь кратковременные воронки и брызги. Явление не является редким метеорологическим феноменом и не имеет отдельного названия в научной метеорологии, однако регулярно привлекает внимание наблюдателей и обсуждается в популярной литературе по физике поверхностных явлений.

¶Физическая природа явления

Обычно при ударе капли дождя о воду воздух, находящийся под ней, вытесняется в стороны, и поверхность образует кратковременную воронку, стенки которой затем смыкаются. Пузырь возникает тогда, когда часть этого воздуха оказывается запертой под водяной плёнкой. Для образования устойчивого пузыря необходимо, чтобы поверхность воды обладала достаточной упругостью — то есть имела пониженное поверхностное натяжение.

Поверхностное натяжение чистой воды довольно велико (около 72 мН/м при 20 °C), и при таком натяжении воздух быстро выходит из-под ударяющей капли. Однако при наличии в воде поверхностно-активных веществ (ПАВ) натяжение снижается, плёнка становится более гибкой и устойчивой, и пузырь сохраняется заметное время — от долей секунды до нескольких секунд.

¶Причины появления пузырей в лужах

В природных лужах роль поверхностно-активных веществ обычно играют органические загрязнители, попадающие в воду с поверхности асфальта, почвы или воздуха. К ним относятся:

• масляные и топливные плёнки, оставшиеся от автомобилей на проезжей части;
• органические кислоты и гуминовые вещества, вымываемые из почвы;
• бытовые и промышленные загрязнения, смываемые ливневыми стоками;
• продукты жизнедеятельности микроорганизмов, накапливающиеся в стоячей воде.

Чем больше лужа загрязнена, тем ниже её поверхностное натяжение и тем вероятнее появление пузырей под дождём. Наиболее эффектно явление наблюдается на старых лужах вдоль оживлённых улиц, а также на лужах, образовавшихся поверх песка или грунта, богатого органикой.

¶Зависимость от условий

Для образования пузырей важен не только состав воды, но и характер самого дождя. Крупные капли с высокой скоростью удара с большей вероятностью захватывают воздух и продавливают плёнку, формируя пузырь. Мелкий «пылевой» дождь обычно не образует пузырей, даже на сильно загрязнённой воде. Сильный ливень, напротив, создаёт множество пузырей одновременно, и лужа покрывается пеной.

Температура также влияет на результат: тёплая вода имеет более низкое поверхностное натяжение, чем холодная, поэтому в тёплые ливни пузыри появляются легче.

¶Распространённые заблуждения

Явление дождя с пузырями часто интерпретируется в народной культуре как признак загрязнённости воздуха, «кислотных дождей» или даже предвестник наводнения. Научных оснований для таких утверждений нет:

• Кислотные дожди действительно понижают pH воды, но для заметного изменения поверхностного натяжения кислотность должна быть крайне высокой, что в реальных ливнях не наблюдается. Пузыри в лужах формируются и вдали от промышленных районов.
• Загрязнение воздуха может увеличивать количество ПАВ в дождевой воде, но основной источник загрязнения луж — наземные источники, а не атмосферные.
• Предвестником наводнения явление не является: пузыри возникают при любом достаточно сильном дожде на загрязнённой поверхности.

¶Наблюдаемые особенности

Пузыри, образующиеся под дождём, заметно отличаются от мыльных: они обычно неправильной формы, недолговечны и не переливаются радужными цветами, поскольку вода в луже содержит слишком мало ПАВ для образования тонкой интерференционной плёнки. Если же на поверхности лужи присутствует масляная плёнка, пузыри могут приобретать характерный переливающийся оттенок — это отдельное явление, связанное с интерференцией света в тонких плёнках.

Интересно, что пузыри под дождём можно воспроизвести искусственно: достаточно добавить в воду небольшое количество любого ПАВ — жидкого мыла, шампуня, стирального порошка — и полить поверхность из лейки. Эффект будет аналогичен природному.

¶Значение в науке и технике

Изучение захвата воздуха при ударе капли о жидкость имеет практическое значение для аэродинамики, океанологии (процессы газообмена между атмосферой и океаном) и промышленных технологий, где пенообразование может быть как полезным, так и вредным. Механизм образования пузыря при ударе капли описывается в работах по физике капельных процессов и гидродинамике.

Источники:

• Ландсберг Г. С. «Физика окружающей среды»
• Пройдисон Э. «Физика капельных процессов»
• Справочник по физике поверхностных явлений и поверхностно-активных веществ