Англійські фізики вивчили вплив стохастичності надлишкових зарядів у водяних краплях на їх тяжіння один до одного. Моделювання показало, що додаткове тяжіння, викликане такою випадковістю, прискорює укрупнення крапель у хмарі, необхідне для випадання опадів. Виявлений механізм здатний прискорити утворення дощу в середньому на одну хвилину. Дослідження опубліковано в.
Атмосферна електрика асоціюється в першу чергу з грозовими розрядами як з найяскравішими феноменами. Однак у небі відбуваються й інші цікаві електричні процеси. Наприклад, водяні краплі, з яких складаються хмари і тумани, можуть купувати невеликий електричний заряд за рахунок зіткнень з іонами, що утворюються в атмосфері під дією космічного іонізуючого випромінювання. Вплив заряду на поведінку крапель, наприклад, на їх агломерацію з подальшим випаданням у вигляді теплого дощу, може бути досить складним. Щоб розуміти такі явища, потрібні хороші моделі взаємодії.
Їх можна будувати в рамках класичної електростатики, проте завдання ускладнюється тим, що краплі води недостатньо представляти у вигляді заряджених діелектричних сфер. Причина цього в тому, що хмарні краплі завжди містять всередині себе деяку кількість розчиненої речовини, що дає їм ненульову провідність. В умовах, коли заряди можуть переміщатися по краплі, їх розподіл у присутності другої краплі стає досить складним. Аналітичний вираз для результату цього процесу було отримано тільки недавно, але лише в наближенні незмінного заряду сфер, хоча в реальних хмарах ця умова порушується через постійну дифузію іонів.
Мартен Амбаум (Maarten Ambaum) з Університету Редінга зі своїми англійськими колегами спробували врахувати випадковість процесу дифузії іонів у водяні краплі на їх взаємодію. Вони з'ясували, що це призводить до додаткового наближення між краплями. Автори чисельно досліджували те, як цей факт впливає на швидкість утворення дощу.
Для завдань електростатики, які можна вирішувати аналітично, характерна висока ступінь симетрії. Наприклад, поле, яке створює заряджена провідна сфера, володіє сферичною симетрією і за її межами може бути представлено полем точкового заряду. Якщо ми розглядаємо вплив двох таких сфер один на одного, симетрія стає циліндричною. При цьому сфери індукують один в одному додаткові розділені заряди. Їх можна уявити у вигляді діполя, один заряд якого додається до повного заряду сфери, а другий - зміщується в бік сусідньої сфери. Обчислення кількості нових зарядів і величини їх зміщення можна провести ітераційним методом, стартуючи з точкових зарядів і обчислюючи на кожному індукцію від попередньої конфігурації за допомогою методу зображень.
Проте вже перший крок цієї ітерації дає найбільший внесок у силу, з якою взаємодіють сфери. Автори скористалися цим фактом і записали для неї вираз, який, крім закону кулона для точкових зарядів, рівних початковим зарядам сфер, містив члени, пропорційні їх квадратам. І якщо знак кулонівської сили (тобто тяжіння або відштовхування) залежить від однойменності або різноіменності цих зарядів, то поправки на індукованість завжди дають тяжіння.
На наступному кроці фізики наділили обидва заряди стохастичними властивостями з відповідними середніми і середньоквадратичними відхиленнями. Виявилося, що це ще більше збільшує тяжіння. Більш того, стохастичне тяжіння не дорівнює нулю для нейтральних в середньому сфер, а його вбивання описується законом п'ятого ступеня від відстані, що на ступінь сильніше, ніж взаємодія Ван-дер-Ваальса. Згодом автори встановили зв'язок зарядових середньоквадратичних відхилень, які будуть виникати для сферичних крапель в рівноважній іонізованій атмосфері, з температурою і радіусом сфер.
Автори вирішили вбудувати ці взаємодії в існуючі моделі утворення теплого дощу, тобто процесу злиття легких крапель у важкі, для яких сила гравітації сильніша, ніж опір повітря. Вони з'ясували, що випадковість заряду дає збільшення ймовірності зіткнення крапель до п'яти відсотків для деякого класу пар. Фізики використовували цю модифікацію для симуляції утворення дощу з щільної кучової хмари морського типу з початковим вмістом рідкої води 2 грами на кубічний метр і середнім радіусом краплі 10 мікрометрів.
В результаті моделювання вони виявили, що додаткове тяжіння дійсно прискорює динаміку утворення дощу в середньому на одну хвилину. Цей ефект не дуже великий, враховуючи, що весь процес тривав близько 15 хвилин. Тим не менш, автори припускають, що варіацію зарядів у хмарах можна було б штучно збільшити за допомогою дронів, літаків або навіть високих веж. У перспективі це може принести користь у посушливих пустельних регіонах.
Незважаючи на те, що людство намагається зрозуміти, як утворюється і йде дощ весь час свого існування, в цьому питанні ще чимало білих плям. Порівняно недавно фізики розкрили ще один механізм, відповідальний за формування нових хмар через падаючі крапелі дощу або граду.