外星雨滴和地球上的雨惊人地相似


一个信息图表比较不同行星上的雨滴的大小。请注意泰坦和当前火星对于液体雨滴太冷。信用图像信用:AGU

一项新的研究发现,其他行星和卫星上的雨滴与地球上的雨滴大小相近,尽管它们的化学成分不同,而且下落的大气也截然不同。

研究人员称,结果表明,在各种不同的行星环境下,从云层中落下的雨滴惊人地相似,这可以帮助科学家更好地了解其他星球的气候和降水周期。

地球上的雨滴是用水制成的,但我们太阳系的其他世界具有更加不寻常的东西。在金星上,它是硫酸下降;在木星上,下雨氦气和糊状的氨冰雹。在火星上,它散发二氧化碳,或干冰。在土星的月亮泰坦,它是下降甲烷,或液化天然气。在海王星上,科学家怀疑它以钻石的形式下雨。如果条件是正确的,它甚至可以在一些行星上雨或石英。

一项研究液滴从云层中下落时的物理行为的新研究发现,只有在有限大小范围内的云层中的液滴——半径在0.1毫米到几毫米之间——才能以雨的形式到达岩石行星的表面。这是一个相当狭窄的大小范围,考虑到雨滴在云中形成时体积增加了大约100万倍。

结果还表明,在不同的行星条件下,以雨形式落下的液滴的最大尺寸是相似的。不同类型的液滴最大能达到地球上雨水大小的一半到六倍,这取决于地球引力的强弱(引力越强,雨滴就越小)。在这里找到比较地球、火星、木星、土星和土卫六上雨滴大小的信息图。

“这些不同成分的雨滴的稳定大小范围相当小;他们都从根本上限制在相同的最大大小,”凯特林Loftus说,哈佛大学的行星科学家,这项新研究的主要作者AGU的地球物理研究杂志》:行星,出版研究行星的形成和演化,卫星和太阳系以外的对象。

其他世界的雨

在新的研究中,Loftus和同事罗宾Wordsworth使用了数学和物理原则来模拟液体水滴如何通过行星大气压。他们希望确定从云到行星表面落下的液滴的可能尺寸范围。雨滴太大了分成较小的雨滴,而在撞到地面之前的雨滴太小蒸发。

他们首先确定地球和火星等岩石行星上水雨滴的可能尺寸范围,给予大气条件,如温度,空气压力,相对湿度,从云到地面的距离和行星引力的强度。

他们发现半径小于十分之一毫米的雨滴在到达地表之前就蒸发了,半径大于几毫米的雨滴在下落时分解成更小的水滴。

然后,他们看着水雨滴如何落下像木星和土星一样更大的行星,这些星星具有巨大不同的气氛。比较现代地球,古火星和这些更大的行星,他们发现雨滴同样地通过空气移动水,即使构成“空气”在行星中广泛变化。

根据研究人员的计算,即使雨滴由不同的液体组成,这些外来的雨滴与我们熟悉的雨滴也没有太大的不同。例如,土卫六上最大的甲烷雨滴大约是地球上雨滴的两倍。Loftus不确定为什么最大雨滴大小如此均匀,但她怀疑这可能是由于水滴的表面张力与其密度的关系。

洛夫特斯说,这些发现将帮助科学家更好地模拟其他行星上的情况,因为降水是一个行星的气候和营养循环的关键组成部分。法国尼斯(Nice) Côte d’azur天文台(Observatoire de la Côte d’azur)的行星科学家特里斯坦·吉洛(Tristan Guillot)说,对遥远世界的降水情况进行建模,还可以帮助研究人员解释太空望远镜对系外大气层的观测结果。吉洛与这项新研究没有关系。

吉约说:“现在有了像(詹姆斯·韦伯太空望远镜)这样的仪器,我们有望很快发射出去,我们将有能力探测外行星大气的真正细微光谱,包括那些比我们通常能够描述的要冷得多的大气层,在这些大气层中会发生云和雨。”“因此,随着这些工具的发展,它们将对解释这些光谱非常有用和重要。”

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