Por que as gotas de chuva tem tamanhos diferentes?

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Antes de responder a pergunta do post, preciso mostrar para vocês sobre as imagens artísticas que me inspiraram a escrevê-lo.

Eu estava fazendo uma pesquisa quando me deparei com o o trabalho do talentoso fotógrafo alemão Markus Reugels. Você pode apreciar o trabalho do artista em seu próprio website, onde você verá imagens maravilhosas, de tirar o fôlego, como essa aqui:

Reugels tinge a água e a deixa pingar, escorrer ou espirrar em diferentes superfícies. O resultado é incrível! Para obter os cliques, ele usa câmeras sofisticadas que fazem disparos rápidos. Nem me atrevo a entrar nesses detalhes técnicos, mas quem gosta de fotografia certamente deve conhecer. Claro que em seu trabalho, Reugels usa condições controladas, praticamente um laboratório. E deve fazer vários testes até sair o clique perfeito. Mas já que estamos falando de gotas, vamos pensar nas gotas de chuva.

Confira aqui uma reportagem que destaca o trabalho desse fotógrafo.

Disdrômetro

Disdrômetro é um instrumento de medição que possibilita a determinação da distribuição de tamanho de gotas de chuva. Eu falei sobre esse instrumento aqui e vou falar um pouco mais sobre esse instrumento.

Estava conversando com o pesquisador Frederico Funari, do Laboratório de Hidrometeorologia do IAG-USP e ele me explicou sobre algumas tecnologias de disdrômetro. Temos o disdrômetro de impacto, que possui um sensor que transforma o impacto mecânico de cada gota em um pulso elétrico. Com a calibraçao devida, cada pulso pode ser interpretado como o diâmetro da gota observada.

Existem também os disdrômetros a laser (LDIS ou laser distrometers) e os disdrômetros de vídeo (VDIS ou video disdrometers). Os VDIS filmam as gotas com uma câmera sofisticada, que permite analisar os frames e dessa maneira, podemos determinar o tamanho das gotas. Veja aqui uma demonstração de um VDIS.

Qual a velocidade de uma gota de chuva?

Eu respondi essa pergunta nesse post.

Qual o formato de uma gota de chuva?

Veja a resposta para essa pergunta nesse post.

Finalmente respondendo a pergunta do título: por que as gotas de chuva tem tamanhos diferentes? 

Antes que possamos discutir tamanhos de gotas de chuva, devemos entender o que é uma gota de chuva. Como é feita uma gota de chuva? Quão grande pode ser uma gota de chuva? Essas questões foram sucintamente discutidas nesse link da USGS.

A fim de ter a chuva você deve ter uma nuvem – uma nuvem é um aglomerado de gotículas d’água e cristais de gelo. Junto com essa água, temos as partículas minúsculas chamadas núcleos de condensação (por exemplo, pequenas partículas de sal marinho podem ser consideradas núcleos de condensação). Falei sobre núcleos de condensação nesse post.

Os núcleos de condensação são importantes pois permitem que a gota se desenvolva sem a necessidade de um ambiente supersaturado com relação ao vapor d’água (falei sobre isso aqui), possibilitando que cada núcleo desse atue como uma pequena superfície onde a água pode se condensar.

Cada núcleo de condensação, uma vez cercado por água, torna-se uma pequena gota entre 0,0001 e 0,005 centímetros de diâmetro. Como cada núcleo de condensação tem um tamanho diferente, é de se esperar que as gotinhas tenham tamanhos diferentes. Entretanto, essas gotinhas são muito pequenas para cair do céu. Ficam em suspensão, graças ao movimento ascendente de ar no interior da nuvem.  Falei sobre esse processo nessa minha pequena série de posts sobre microfísica de nuvens.

Mas como essas gotinhas vão ficar grandes o suficiente para cair?

Imagine um enorme quarto cheio de minúsculas gotículas movendo-se. Se uma gota colide com outra gotícula, a gota maior “engolirá” a gota menor. Esta nova gotícula maior colidirá com outras gotículas menores e se tornará ainda maior. Essa descrição é uma maneira muito simplificada de falarmos do processo de coalescência, mas deixa a ideia bastante clara.

Podemos dizer que uma gotinha de nuvem é promovida para gota de chuva quando atinge um tamanho de 0.5mm ou maior. Normalmente, quando a gota de chuva tem mais de 4mm, ela acaba sendo partida em duas. A gota de chuva continuará caindo até atingir o solo. À medida que ele cai, às vezes uma rajada de vento (corrente ascendente) pode forçá-la a subir de volta para a nuvem, de modo que ela vai voltar a engolir mais gotículas menores e repetir o processo.

As gotículas menores são aquelas que não cresceram o suficiente, porque o núcleo de condensação delas não era grande o suficiente ou higroscópico o suficiente. Além disso, a diferença no tamanho também tem relação com a taxa de coalescência. Em outras palavras, tem a ver com quantas vezes a gota maior passou pelo processo de engolir gotas menores.