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其他星球上的雨滴是什么样的?

时间: 2021年05月25日 | 作者: Admin | 来源: 新浪科技
地球并不是唯一会出现降雨的星球。物理学家认为,在宇宙的其他地方,肯定也存在类似地球降雨的现象。


  从天空坠落的物质种类几乎和行星本身一样千差万别。哈佛大学凯特琳·洛夫特斯领导的研究小组发现,整个太阳系中构成雨的所有液体物质都有一个相似之处——所有雨滴,不管由什么物质组成,其大小都大致相同。


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不同星球的重力条件和雨滴大小,从上到下分别是地球、火星、木星、土星和土卫六


  降雨是地球天气的主要特征之一,不同地区的降雨量差异很大。降雨过程不仅带来了不同的天象,也塑造了地面的景观,雨水侵蚀山谷,填满了河流和湖泊。科学家已经知道,其他星球上也有类似的过程,比如土卫六也具有河流、湖泊、峡谷和降雨,只不过其中的液体是液态甲烷,而不是水。


  火星似乎也有降雨的痕迹,尽管要追溯到几十亿年前。木星和土星等气态巨行星并没有像岩石行星那样的表面,但在其大气层的巨大风暴中,雨滴发挥着至关重要的作用,因为它们可以在大气中传递热量。


  这就引出了一个有趣的问题:在这些星球上,雨滴是什么样的?它们和地球上的雨滴有多相似?凯特琳·洛夫特斯和罗宾·华兹华斯的研究为我们提供了答案。他们指出,在任何给定的大气中,无论雨滴如何形成,决定其大小的只有三个因素。正因为如此,其他星球上的雨滴很可能与地球上的雨滴有明显的相似之处。


  云层的动态机制


  首先,让我们来了解一些背景知识。当水蒸气凝结在更小的颗粒(如气溶胶)周围时,雨滴就会在云层内形成并生长。这是一个复杂的非线性过程。凝结过程会重新分配云层的热量和湿度,反过来影响未来水滴的形成。这一现象在广阔的云层空间尺度上是如何发生的,科学家还知之甚少。


  不过,在这一过程中形成的液滴是非常相似的。大多数雨滴的大小约为1毫米,几乎不会大于4毫米,因为任何更大的雨滴都会破裂。雨滴的大小是一致的,因为无论如何形成,它们穿过大气层时所遵循的物理规律都是一样的。


  洛夫特斯和华兹华斯表示,只有三种属性——形状、最终速度和下落时的蒸发速度——决定了雨滴的大小。他们说:“从这些属性中,我们证明了在各种各样的行星条件下,只有体积相对较小的雨滴才能从云层到达地表。”


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木星的降雨循环图示,其中可能还涉及到氨冰雹


  相对而言,科学家对雨滴的形状已经了解得很清楚了。“根据雨滴大小的不同,它们可以选择各种形状,但从来没有像人们想象中的泪滴形状,”研究人员说,“随着雨滴质量的增加,它们会球体演变为扁圆球体,形状类似汉堡包的上层。”


  研究人员还确定了不同星球大气中雨滴的最终速度,这取决于向下作用的力(即重力)和反向作用的空气动力阻力。反过来,阻力又取决于雨滴横截面、雨滴穿过大气层的速度、大气层的密度和粘度等因素。当这些力达到平衡时,雨滴就会以稳定的速度落下。


  在地球上,雨滴下落发生得非常快。洛夫特斯和华兹华斯指出,即使是最大的雨滴,也会在总下落距离的1%内加速到其最终速度的99%。他们还研究了雨滴大小的变化——比如由蒸发引起的变化——会如何影响这个其降落速度。事实表明,差别并不大。因此,在其他星球大气中的雨滴很可能也和地球雨滴十分相似。


  最后,两人研究了雨滴的蒸发速率。这有点复杂,因为液滴表面的蒸发速率取决于周围的湿度、大气密度、水蒸气扩散方式,以及液滴和周围空气的温度。液滴在空气中运动时,会通过传导作用改变其温度;在更高温度下也可以通过辐射来传递热量。因此,这其中涉及的物理学是复杂的。不过,研究人员指出,在考虑所有因素之后,蒸发速率可以用单一参数来表征。


  他们的模型结果显示,正如预期的那样,半径小于1/10毫米的雨滴在落到表面之前就蒸发了,而半径超过数毫米的更大雨滴会分裂成更接近平均大小的雨滴。


  表面张力


  两位研究者继续计算雨滴在各种条件下的体积增长情况。他们考虑的一个重要因素是液体的表面张力,正是这种力使雨滴保持形状完整。但是,当外力超过表面张力时,液滴就会破裂。正是这一过程使地球上的雨滴的直径只有数毫米。


  两位研究者指出,类似的极限也存在于其他星球的大气中,而且范围很广。一般而言,地外世界的雨滴会受到一些因素的限制,和地球上的雨滴大小相似,并不会出现数量级的差异。“对于类地行星而言,能够将凝结物体输送到表面的雨滴大小只有一个数量级的差异,”他们说,“我们通过一系列冷凝物和行星参数证明,最大雨滴的体积不会有显著变化。”


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其他行星上的雨滴可能与落在地球上的雨滴有着惊人的相似之处


  他们还指出,同样的物理原理也适用于非水液体组成的雨滴。天文学家发现,一颗名为WASP-76b的系外行星具有温度极高的大气层,可以超过2750摄氏度,足以使铁气化,并飘到行星较冷的一面凝结并降下“铁雨”。这种“铁雨”的雨滴很可能也遵循和地球雨滴同样的规则。事实上,在流星撞击地球的过程中,也会出现同样的高温和类似的“铁雨”现象。


  即使是更大的行星,雨滴也没有明显的大小差异。木星或土星上的雨滴在大小和形状上与地球或火星上的雨滴很相似。同样,雨滴的组成成分对其大小也没有特别大的影响。例如,在土卫六上,雨滴主要由甲烷组成。研究发现,尽管土卫六的重力和天气模式与地球截然不同,但这些甲烷液滴中最大的只有地球上平均雨滴大小的两倍多。


  目前还不清楚导致这种均匀性的确切原因,但研究小组认为这与雨滴成分的密度和表面张力有关。了解雨滴如何在其他行星上形成,将帮助行星学家了解系外行星的大气情况。随着更强大的系外行星观测卫星在不久的将来发射升空,这将成为一个更有预见性的话题。


  “在对不同环境下雨滴和云层的思考中,我们所获得的信息,将是理解系外行星适居性的关键。”华兹华斯解释道,“从长远来看,它们还可以帮助我们更深入地了解地球本身的气候。”(任天)