北京時(shí)間 5 月 24 日消息，地球并不是唯一會(huì)出現(xiàn)降雨的星球。物理學(xué)家認(rèn)為，在宇宙的其他地方，肯定也存在類(lèi)似地球降雨的現(xiàn)象。從天空墜落的物質(zhì)種類(lèi)幾乎和行星本身一樣千差萬(wàn)別。哈佛大學(xué)凱特琳?洛夫特斯領(lǐng)導(dǎo)的研究小組發(fā)現(xiàn)，整個(gè)太陽(yáng)系中構(gòu)成雨的所有液體物質(zhì)都有一個(gè)相似之處 —— 所有雨滴，不管由什么物質(zhì)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(wèi)六
降雨是地球天氣的主要特征之一，不同地區(qū)的降雨量差異很大。降雨過(guò)程不僅帶來(lái)了不同的天象，也塑造了地面的景觀，雨水侵蝕山谷，填滿(mǎn)了河流和湖泊?？茖W(xué)家已經(jīng)知道，其他星球上也有類(lèi)似的過(guò)程，比如土衛(wèi)六也具有河流、湖泊、峽谷和降雨，只不過(guò)其中的液體是液態(tài)甲烷，而不是水。
火星似乎也有降雨的痕跡，盡管要追溯到幾十億年前。木星和土星等氣態(tài)巨行星并沒(méi)有像巖石行星那樣的表面，但在其大氣層的巨大風(fēng)暴中，雨滴發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，因?yàn)樗鼈兛梢栽诖髿庵袀鬟f熱量。
這就引出了一個(gè)有趣的問(wèn)題：在這些星球上，雨滴是什么樣的？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(wú)論雨滴如何形成，決定其大小的只有三個(gè)因素。正因?yàn)槿绱?，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。
云層的動(dòng)態(tài)機(jī)制
首先，讓我們來(lái)了解一些背景知識(shí)。當(dāng)水蒸氣凝結(jié)在更小的顆粒（如氣溶膠）周?chē)鷷r(shí)，雨滴就會(huì)在云層內(nèi)形成并生長(zhǎng)。這是一個(gè)復(fù)雜的非線(xiàn)性過(guò)程。凝結(jié)過(guò)程會(huì)重新分配云層的熱量和濕度，反過(guò)來(lái)影響未來(lái)水滴的形成。這一現(xiàn)象在廣闊的云層空間尺度上是如何發(fā)生的，科學(xué)家還知之甚少。
不過(guò)，在這一過(guò)程中形成的液滴是非常相似的。大多數(shù)雨滴的大小約為 1 毫米，幾乎不會(huì)大于 4 毫米，因?yàn)槿魏胃蟮挠甑味紩?huì)破裂。雨滴的大小是一致的，因?yàn)闊o(wú)論如何形成，它們穿過(guò)大氣層時(shí)所遵循的物理規(guī)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(shí)的蒸發(fā)速度 —— 決定了雨滴的大小。他們說(shuō)：“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(duì)較小的雨滴才能從云層到達(dá)地表?！?/p>
木星的降雨循環(huán)圖示，其中可能還涉及到氨冰雹
相對(duì)而言，科學(xué)家對(duì)雨滴的形狀已經(jīng)了解得很清楚了?！案鶕?jù)雨滴大小的不同，它們可以選擇各種形狀，但從來(lái)沒(méi)有像人們想象中的淚滴形狀，”研究人員說(shuō)，“隨著雨滴質(zhì)量的增加，它們會(huì)球體演變?yōu)楸鈭A球體，形狀類(lèi)似漢堡包的上層?！?/p>
研究人員還確定了不同星球大氣中雨滴的最終速度，這取決于向下作用的力（即重力）和反向作用的空氣動(dòng)力阻力。反過(guò)來(lái)，阻力又取決于雨滴橫截面、雨滴穿過(guò)大氣層的速度、大氣層的密度和粘度等因素。當(dāng)這些力達(dá)到平衡時(shí)，雨滴就會(huì)以穩(wěn)定的速度落下。
在地球上，雨滴下落發(fā)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(huì)在總下落距離的 1% 內(nèi)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(fā)引起的變化 —— 會(huì)如何影響這個(gè)其降落速度。事實(shí)表明，差別并不大。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。
最后，兩人研究了雨滴的蒸發(fā)速率。這有點(diǎn)復(fù)雜，因?yàn)橐旱伪砻娴恼舭l(fā)速率取決于周?chē)臐穸?、大氣密度、水蒸氣擴(kuò)散方式，以及液滴和周?chē)諝獾臏囟取Ｒ旱卧诳諝庵羞\(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)通過(guò)傳導(dǎo)作用改變其溫度；在更高溫度下也可以通過(guò)輻射來(lái)傳遞熱量。因此，這其中涉及的物理學(xué)是復(fù)雜的。不過(guò)，研究人員指出，在考慮所有因素之后，蒸發(fā)速率可以用單一參數(shù)來(lái)表征。
他們的模型結(jié)果顯示，正如預(yù)期的那樣，半徑小于 1/10 毫米的雨滴在落到表面之前就蒸發(fā)了，而半徑超過(guò)數(shù)毫米的更大雨滴會(huì)分裂成更接近平均大小的雨滴。
表面張力
兩位研究者繼續(xù)計(jì)算雨滴在各種條件下的體積增長(zhǎng)情況。他們考慮的一個(gè)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(dāng)外力超過(guò)表面張力時(shí)，液滴就會(huì)破裂。正是這一過(guò)程使地球上的雨滴的直徑只有數(shù)毫米。
兩位研究者指出，類(lèi)似的極限也存在于其他星球的大氣中，而且范圍很廣。一般而言，地外世界的雨滴會(huì)受到一些因素的限制，和地球上的雨滴大小相似，并不會(huì)出現(xiàn)數(shù)量級(jí)的差異?！皩?duì)于類(lèi)地行星而言，能夠?qū)⒛Y(jié)物體輸送到表面的雨滴大小只有一個(gè)數(shù)量級(jí)的差異，”他們說(shuō)，“我們通過(guò)一系列冷凝物和行星參數(shù)證明，最大雨滴的體積不會(huì)有顯著變化?！?/p>
其他行星上的雨滴可能與落在地球上的雨滴有著驚人的相似之處
他們還指出，同樣的物理原理也適用于非水液體組成的雨滴。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，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(guò) 2750 攝氏度，足以使鐵氣化，并飄到行星較冷的一面凝結(jié)并降下“鐵雨”。這種“鐵雨”的雨滴很可能也遵循和地球雨滴同樣的規(guī)則。事實(shí)上，在流星撞擊地球的過(guò)程中，也會(huì)出現(xiàn)同樣的高溫和類(lèi)似的“鐵雨”現(xiàn)象。
即使是更大的行星，雨滴也沒(méi)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(duì)其大小也沒(méi)有特別大的影響。例如，在土衛(wèi)六上，雨滴主要由甲烷組成。研究發(fā)現(xiàn)，盡管土衛(wèi)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(dǎo)致這種均勻性的確切原因，但研究小組認(rèn)為這與雨滴成分的密度和表面張力有關(guān)。了解雨滴如何在其他行星上形成，將幫助行星學(xué)家了解系外行星的大氣情況。隨著更強(qiáng)大的系外行星觀測(cè)衛(wèi)星在不久的將來(lái)發(fā)射升空，這將成為一個(gè)更有預(yù)見(jiàn)性的話(huà)題。
“在對(duì)不同環(huán)境下雨滴和云層的思考中，我們所獲得的信息，將是理解系外行星適居性的關(guān)鍵?！比A茲華斯解釋道，“從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，它們還可以幫助我們更深入地了解地球本身的氣候?！?/p>
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