雨水能否成為究極的致命武器？

大多數人對蚊子一定不陌生；若是出遊或睡覺的時候遇上它們，簡直欲哭無淚。根據估計，蚊子每年殺害約七十多萬到一百萬個人類，可謂動物殺手界第一把交椅，大幅打敗第二名的人類自己；但以愛護動物的同理心想想，其實蚊子的處境相當不容易，除了要躲避地球最強勢物種――人類的追殺，還有許多天敵；除此之外，天氣環境似乎也是潛在威脅：舉例來說，雨滴的重量最高可達蚊子的數十倍（不妨想像我們身在充滿上百公斤到數公噸雨滴的大雨中），那麼下雨天的時候，蚊子豈不是會被滂沱的雨水砸死？怎麼可能生存至今？

水滴撞擊蚊子的研究

針對上述問題，美國喬治亞理工學院（Georgia Institute of Technology）的台裔美籍科學家胡立德^[1]（David L. Hu）與其團隊，於 2012 年進行了詳細研究。事實上，要用雨滴砸中蚊子是相當艱鉅的任務；胡立德表示：

「我們首先做的事，是從我們大樓的三樓，將小水滴落在裝滿蚊子的容器內――你可以猜到那並不太管用，就像在玩你所能想像得到的、最糟糕的射飛鏢遊戲。」

所以他們改變作法：在實驗室內朝蚊子射擊水滴，並用超高速攝影機記錄下過程。

他們觀察到，蚊子並不是特意閃躲、也不是跟雨滴對抗，相反地，蚊子的翅膀或身體會被水滴影響，以類似搭便車的方式，順著水滴運動。團隊又簡單估計了在這種狀況下，水滴給予蚊子的施力，發現當水滴比蚊子重上許多的時候，蚊子受到的力約略和自身質量成正比。

因此，儘管在實驗中，水滴重達蚊子的二到五十倍，但因為蚊子不硬接水滴的打擊，質量又極小，所以承受的作用力並不高――蚊子堅硬的外骨骼完全能夠抵擋衝擊。

即使如此，雨滴在特定狀況下還是可以對蚊子造成危害：若蚊子極度靠近地面飛行時被擊中，就可能來不及恢復正常飛行狀態，而被雨滴拖行撞擊地面。

雨滴傷不了蚊子，那能傷人嗎？

有了蚊子的研究結果，我們可以接續思考：人類在淋雨的時候不會像蚊子那般順著雨滴的方向移動，也不像蚊子或昆蟲有堅硬的外骨骼保護；雨滴的動能和動量在極大程度上，可謂毫不留情地都用來打擊我們脆弱的血肉之軀。那麼，雨滴能否對人類造成傷害呢？很明顯地，答案是：不能。

那又是為什麼？(／‵Д′)／~ ╧╧（翻桌）怎麼跟蚊子的狀況完全不一樣？簡單回答，就是雨滴的質量不夠大、速率不夠快。

雨滴的質量可以到多大？

既然水的密度大致上是固定的，變動不大，影響雨滴質量最主要的因素，就是它的尺寸。原則上，水滴要多大都可以，但仔細回想我們從小到大看過的雨滴，就算是尺寸最大的，直徑也幾乎無法超過五公釐。

以往，科學家認為，雨滴在落下的過程中，會和周遭的其他雨滴碰撞，進而融合或分裂，最後形成我們在地上看到的雨滴尺寸。

然而，2009 年法國艾克斯-馬賽大學（Aix-Marseille Université）的科學家發表論文，確認雨滴的大小其實取決於其和空氣的作用：一旦雨滴在上空形成並落下，因為遭遇空氣阻力，過大的雨滴將難以維持形狀，而會分裂成小雨滴。

不僅如此，研究團隊也對雨滴的尺寸上限進行推估，得出雨滴保持穩定、不分裂狀態的最大直徑約六公釐，基本上與實驗觀測和日常生活經驗吻合。因此之故，雨滴的質量絕不可能達到足以傷害人類的程度。

加速雨滴可行嗎？

就算雨滴的質量在現實中無法太大，我們仍然不需要放棄希望，只要你懂物理，物理就會幫助你：如果雨滴以極高速率落下，還是可以產生足夠動量，造成傷亡；在漫畫《航海王》裡就曾經出現過，擊發手上的水珠破壞岩石的劇情――不過，這真的可能嗎？

早在約莫兩千年前，羅馬人會在高處儲存大量的水，藉由一次全部釋放，將岩床上的覆蓋層沖刷掉，以尋找礦脈；這個技術現在稱為沖流探礦（Hushing）。十九世紀中葉，採礦者開始利用高壓水柱，直接把礦床噴到崩解，再進行洗礦，即為所謂水力採礦法（Hydraulic mining）。

到了 1930 年代，人類已經能夠使用極細小的高壓水柱切割物品，稱為水刀（Water jet cutter）。隨著時代演進，我們能夠產生的水壓越來越強，水柱的威力也越來越大；換言之，只要速率夠快，水也可以很有破壞力。

這樣的話，雨滴又為什麼不會快到傷人的地步呢？原因仍然是前面提及的空氣阻力。當物體在流體中運動時，會感受到流體給予的反向阻力；物體的速度越快，阻力就越大。當物體因為重力而從空中落下，只要速度快到一個地步，空氣阻力就會大到抵銷重力的作用，此時該物體會以等速運動，稱為終端速度。

物體的終端速度和其質量、在流體中的截面積、以及流體的性質等都有關係。以雨滴而言，終端速度最高差不多每秒十公尺（每小時 36 公里），並不算快――於是也不可能造成人體傷害了。

大規模毀滅性武器夢碎

下雨是地球上大部分人都很熟悉的大氣現象，但雨之所以是我們習慣的那個樣子，並非理所當然，而是由背後深刻的物理學決定。單就結論而言，雨對昆蟲或人類都不具殺傷力，無法成為大規模毀滅性武器；反過來想，人類能夠生存到現在，或許就是我們不會被雨水傷害的最佳證據，不是嗎？

參考資料

• Andrew K. Dickerson, Peter G. Shankles, Nihar M. Madhavan and David L. Hu, Mosquitoes survive raindrop collisions by virtue of their low mass, PNAS 109 (25) 9822 (2012).
• RICHARD HARRIS, Splish Splat? Why Raindrops Don’t Kill Mosquitoes, NPR, June 5 (2012).
• Emmanuel Villermaux and Benjamin Bossa, Single-drop fragmentation determines size distribution of raindrops, Nature Physics, volume 5, 697 (2009).
• List of deadliest animals to humans – Wikipedia
• Drop (liquid) – Wikipedia
• Hydraulic mining – Wikipedia
• Terminal velocity – Wikipedia

註釋

[1] 其於 2015 年和 2019 年兩度獲頒搞笑諾貝爾物理學獎。