北京時間 5 月 24 日消息，地球并不是唯一會出現(xiàn)降雨的星球。物理學(xué)家認為，在宇宙的其他地方，肯定也存在類似地球降雨的現(xiàn)象。從天空墜落的物質(zhì)種類幾乎和行星本身一樣千差萬別。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)，整個太陽系中構(gòu)成雨的所有液體物質(zhì)都有一個相似之處 —— 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(xué)家已經(jīng)知道，其他星球上也有類似的過程，比如土衛(wèi)六也具有河流、湖泊、峽谷和降雨，只不過其中的液體是液態(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。
云層的動態(tài)機制
首先，讓我們來了解一些背景知識。當(dāng)水蒸氣凝結(jié)在更小的顆粒（如氣溶膠）周圍時，雨滴就會在云層內(nèi)形成并生長。這是一個復(fù)雜的非線性過程。凝結(jié)過程會重新分配云層的熱量和濕度，反過來影響未來水滴的形成。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，在這一過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，幾乎不會大于 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(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、最終速度和下落時的蒸發(fā)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云層到達地表。”
木星的降雨循環(huán)圖示，其中可能還涉及到氨冰雹
相對而言，科學(xué)家對雨滴的形狀已經(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，但從來沒有像人們想象中的淚滴形狀，”研究人員說，“隨著雨滴質(zhì)量的增加，它們會球體演變?yōu)楸鈭A球體，形狀類似漢堡包的上層?！?/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力阻力。反過來，阻力又取決于雨滴橫截面、雨滴穿過大氣層的速度、大氣層的密度和粘度等因素。當(dāng)這些力達到平衡時，雨滴就會以穩(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 —— 會如何影響這個其降落速度。事實表明，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。這有點復(fù)雜，因為液滴表面的蒸發(fā)速率取決于周圍的濕度、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(dǎo)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(xué)是復(fù)雜的。不過，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，而半徑超過數(shù)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(xù)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(dāng)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(shù)毫米。
兩位研究者指出，類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，地外世界的雨滴會受到一些因素的限制，和地球上的雨滴大小相似，并不會出現(xiàn)數(shù)量級的差異?！皩τ陬惖匦行嵌?，能夠?qū)⒛Y(jié)物體輸送到表面的雨滴大小只有一個數(shù)量級的差異，”他們說，“我們通過一系列冷凝物和行星參數(shù)證明，最大雨滴的體積不會有顯著變化?！?/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 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。事實上，在流星撞擊地球的過程中，也會出現(xiàn)同樣的高溫和類似的“鐵雨”現(xiàn)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(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。隨著更強大的系外行星觀測衛(wèi)星在不久的將來發(fā)射升空，這將成為一個更有預(yù)見性的話題。
“在對不同環(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?！?/p>
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