其他星球上的雨滴是什麼樣的?

北京時間5月24日消息,地球並不是唯一會出現降雨星球。物理學家認為,在宇宙的其他地方,肯定也存在類似地球降雨的現象。從天空墜落的物質種類幾乎和行星本身一樣千差萬別。哈佛大學凱特琳·洛夫特斯領導的研究小組發現,整個太陽系中構成雨的所有液體物質都有一個相似之處——所有雨滴,不管由什麼物質組成,其大小都大致相同。

不同星球的重力條件和雨滴大小,從上到下分別是地球、火星、木星、土星和土衛六

不同星球的重力條件和雨滴大小,從上到下分別是地球、火星、木星、土星和土衛六

降雨是地球天氣的主要特徵之一,不同地區的降雨量差異很大。降雨過程不僅帶來了不同的天象,也塑造了地面的景觀,雨水侵蝕山谷,填滿了河流和湖泊。科學家已經知道,其他星球上也有類似的過程,比如土衛六也具有河流、湖泊、峽谷和降雨,只不過其中的液體是液態甲烷,而不是水。

火星似乎也有降雨的痕迹,儘管要追溯到幾十億年前。木星和土星等氣態巨行星並沒有像岩石行星那樣的表面,但在其大氣層的巨大風暴中,雨滴發揮着至關重要的作用,因為它們可以在大氣中傳遞熱量。

這就引出了一個有趣的問題:在這些星球上,雨滴是什麼樣的?它們和地球上的雨滴有多相似?凱特琳·洛夫特斯和羅賓·華茲華斯的研究為我們提供了答案。他們指出,在任何給定的大氣中,無論雨滴如何形成,決定其大小的只有三個因素。正因為如此,其他星球上的雨滴很可能與地球上的雨滴有明顯的相似之處。

雲層的動態機制

首先,讓我們來了解一些背景知識。當水蒸氣凝結在更小的顆粒(如氣溶膠)周圍時,雨滴就會在雲層內形成並生長。這是一個複雜的非線性過程。凝結過程會重新分配雲層的熱量和濕度,反過來影響未來水滴的形成。這一現象在廣闊的雲層空間尺度上是如何發生的,科學家還知之甚少。

不過,在這一過程中形成的液滴是非常相似的。大多數雨滴的大小約為1毫米,幾乎不會大於4毫米,因為任何更大的雨滴都會破裂。雨滴的大小是一致的,因為無論如何形成,它們穿過大氣層時所遵循的物理規律都是一樣的。

洛夫特斯和華茲華斯表示,只有三種屬性——形狀、最終速度和下落時的蒸發速度——決定了雨滴的大小。他們說:“從這些屬性中,我們證明了在各種各樣的行星條件下,只有體積相對較小的雨滴才能從雲層到達地表。”

木星的降雨循環圖示,其中可能還涉及到氨冰雹

木星的降雨循環圖示,其中可能還涉及到氨冰雹

相對而言,科學家對雨滴的形狀已經了解得很清楚了。“根據雨滴大小的不同,它們可以選擇各種形狀,但從來沒有像人們想象中的淚滴形狀,”研究人員說,“隨着雨滴質量的增加,它們會球體演變為扁圓球體,形狀類似漢堡包的上層。”

研究人員還確定了不同星球大氣中雨滴的最終速度,這取決於向下作用的力(即重力)和反向作用的空氣動力阻力。反過來,阻力又取決於雨滴橫截面、雨滴穿過大氣層的速度、大氣層的密度和粘度等因素。當這些力達到平衡時,雨滴就會以穩定的速度落下。

在地球上,雨滴下落髮生得非常快。洛夫特斯和華茲華斯指出,即使是最大的雨滴,也會在總下落距離的1%內加速到其最終速度的99%。他們還研究了雨滴大小的變化——比如由蒸發引起的變化——會如何影響這個其降落速度。事實表明,差別並不大。因此,在其他星球大氣中的雨滴很可能也和地球雨滴十分相似。

最後,兩人研究了雨滴的蒸發速率。這有點複雜,因為液滴表面的蒸發速率取決於周圍的濕度、大氣密度、水蒸氣擴散方式,以及液滴和周圍空氣的溫度。液滴在空氣中運動時,會通過傳導作用改變其溫度;在更高溫度下也可以通過輻射來傳遞熱量。因此,這其中涉及的物理學是複雜的。不過,研究人員指出,在考慮所有因素之後,蒸發速率可以用單一參數來表徵。

他們的模型結果顯示,正如預期的那樣,半徑小於1/10毫米的雨滴在落到表面之前就蒸發了,而半徑超過數毫米的更大雨滴會分裂成更接近平均大小的雨滴。

表面張力

兩位研究者繼續計算雨滴在各種條件下的體積增長情況。他們考慮的一個重要因素是液體的表面張力,正是這種力使雨滴保持形狀完整。但是,當外力超過表面張力時,液滴就會破裂。正是這一過程使地球上的雨滴的直徑只有數毫米。

兩位研究者指出,類似的極限也存在於其他星球的大氣中,而且範圍很廣。一般而言,地外世界的雨滴會受到一些因素的限制,和地球上的雨滴大小相似,並不會出現數量級的差異。“對於類地行星而言,能夠將凝結物體輸送到表面的雨滴大小隻有一個數量級的差異,”他們說,“我們通過一系列冷凝物和行星參數證明,最大雨滴的體積不會有顯著變化。”

他們還指出,同樣的物理原理也適用於非水液體組成的雨滴。天文學家發現,一顆名為WASP-76b的系外行星具有溫度極高的大氣層,可以超過2750攝氏度,足以使鐵氣化,並飄到行星較冷的一面凝結並降下“鐵雨”。這種“鐵雨”的雨滴很可能也遵循和地球雨滴同樣的規則。事實上,在流星撞擊地球的過程中,也會出現同樣的高溫和類似的“鐵雨”現象。

即使是更大的行星,雨滴也沒有明顯的大小差異。木星或土星上的雨滴在大小和形狀上與地球或火星上的雨滴很相似。同樣,雨滴的組成成分對其大小也沒有特別大的影響。例如,在土衛六上,雨滴主要由甲烷組成。研究發現,儘管土衛六的重力和天氣模式與地球截然不同,但這些甲烷液滴中最大的只有地球上平均雨滴大小的兩倍多。

目前還不清楚導致這種均勻性的確切原因,但研究小組認為這與雨滴成分的密度和表面張力有關。了解雨滴如何在其他行星上形成,將幫助行星學家了解系外行星的大氣情況。隨着更強大的系外行星觀測衛星在不久的將來發射升空,這將成為一個更有預見性的話題。

“在對不同環境下雨滴和雲層的思考中,我們所獲得的信息,將是理解系外行星適居性的關鍵。”華茲華斯解釋道,“從長遠來看,它們還可以幫助我們更深入地了解地球本身的氣候。”(任天)

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