Hvor lille kan en vanddråbe blive?

Hej Spørg om Fysik
Jeg har gået og spekuleret over, hvor lille en vanddråbe egentlig kan blive, og derfor har jeg talt med DMI, og fået at vide, at DMI definerer regn som nedbør i form af regndråber med diameter større end 0,5 mm. Er dråberne mindre end 0,5 mm taler man om finregn. Når regndråberne ikke laver ringe i vandpytter, er der tale om finregn. Men hvor små vanddråber kan blive, har de ingen data på.

Derfor henvender jeg mig til jer. Måske skulle jeg i stedet spørge på Geografisk instituts afdeling for naturgeografi.

Men kan I fortælle mig, hvor lille en vanddråbe kan blive? Når en gryde med vand koger og sender vanddråber op i luften, så er dråberne jo så små, at de kan svæve i luften, indtil de fortættes under et køligt grydelåg. Kan man tænke sig, at en en vanddråbe kan blive så lille, at den kun består af ét vandmolekyle?

Mange hilsener
J R 

 

Hvor lille en dråbe kan blive, afhænger nok af hvordan man definerer en dråbe. Der er ingen præcis nedre grænse. Det er en dråbe, når fysikken for dråber er anvendelig.

I praksis har det dog ingen mening at tale om dråber mindre end 1 mikrometer, idet de slet ikke vil kunne leve uden for en rigtig fugtig luftpakke. I skyer er typiske dråber omkring 10 mikrometer, rigtigt store dråber kan være 20-50 mikrometer. Vi taler vanddråber.

Når man kommer op i størrelsen over 100 mikrometer, kan de falde i forhold til skyen og danne nedbør. Almindelige dråber er nogle millimeter. Rigtigt store dråber vil være omkring 5 mm. Vand smidt ud fra Rigshospitalets tag, vil komme ned som regndråber omkring 5 mm. Dvs. luftens friktion vil smadre store dråber. 

Når der sætter sig vand på et grydelåg, er det oftest næppe dråber, der kommer. Opvarmer man vand noget i en gryde med glaslåg f.eks. til 70 ⁰C, og stiller den hen, kommer der vand på indersiden af låget. Tilsvarende vil der kunne være dug på vinduet i en bil, der står ude i koldt vejr. Når man tørrer vinduet af, er det tydeligvis vand, der sidder på vinduet. I begge tilfælde er det oftest enkelte vandmolekyler altså vanddamp i luften, der kondenseres, og ikke dråber. Man kan simpelt hen ikke sige, at dråber kondenserer, de kan falde på en flade eller sætte sig pga. adhæsion, men ikke kondensere.

Det er klart, at meget små dråber vil kunne svæve og følge luftstrømninger i omgivelserne, det er jo netop det de fleste skyer består af. Der er også især højtliggende skyer, som består af iskrystaller i stedet. Iskrystaller følger også med luftens bevægelser, sådan ca. da. 

Det interessante ved dråber er, at de har svært ved at blive dannet. Grunden er overfladespændingen i sammenspil med kravet om en overmætning. Uden overmætning i luften kan dråber ikke dannes, med mindre der er en kerne at starte på, som nedsætter kravet om damptryk til under det mættede tryk.

Overfladespændingen af vand
Overfladespændingen af vand er den egenskab, der gør at vandet trækkes op igennem tynde rør (porøst papir), at det insekt der kaldes skøjteløber kan bevæge sig på overfladen, og at man kan få lette metalgenstande (f.eks. et gammeldags barberblad) til at hænge i overfladen. Den fremkommer fordi vandmolekylerne tiltrækker hinanden, og i overfladen er situationen ikke symmetrisk, fordi der kun er tiltrækning nedefra.

Denne overfladespænding kan man vise betyder, at der under krumme flader f.eks. i en kugleformet dråbe, skal være et højere tryk (i forhold til ligevægtsdamptrykket); jo mindre radius, desto højere tryk. Det betyder, at det er svært at danne meget små dråber. De dannes derfor normalt på "noget", det kan være støv eller f.eks. Ionisation (ioniseret luft), som hjælper på processen, men der findes en teori også for neutrale partikler.

Her er der tale om en kemisk proces, der nedsætter kravet til damptrykket, og derved kan væksten øges markant.

Dråber dannet i atmosfæren
Når dråber er dannet, kan vandmolekyler forsvinde og dråben bliver mindre, eller kondenseres så størrelsen øges. Endeligt er det energimæssigt fordelagtigt, at dråberne slår sig sammen, hvis de rammer hinanden. I atmosfæren vil dråben ofte som sagt gå i stykker, når den falder, og har en størrelse på ca. 5 mm i diameter. Dette sker på grund af luftstrømningerne.

Dråber dannet i atmosfæren vil ikke først blive rigtigt store og så gå i stykker, de bliver bare ikke større end ca. 5 mm. 

Jeg ville mene at det at have en dråbe kræver, at der er en veldefineret overflade, og at overfladespændingen er et dominerende træk.

Fakta
En dråbe med diameter 50 μm (5*10^-5 m) indeholder 65 pl (picoliter, 65*10^-12 l) vand, det er stadig 2*10¹¹ molekyler, så det er nok stof selv i det mindste en dråbe. En sådan dråbe er en MEGET stor skydråbe som omtalt tidligere.

Svaret er altså, at der skal være en overflade, og når der er molekyler nok til at partiklen opfører sig efter dråbefysikken, så er det en dråbe. Der er set regndråber op til 6 mm i diameter, men ikke meget større. Aerosolteknologier måler størrelsen af aerosoldråberne med lys, så dråberne der regnes altid større for at være større end μm.

Med venlig hilsen
Aksel Walløe Hansen
Malte Olsen