新研究发现其他行星和卫星上的雨滴与地球上的雨滴大小接近 _行星

新研究发现其他行星和卫星上的雨滴与地球上的雨滴大小接近
（）据cnBeta：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接近，尽管它们具有不同的化学成分，并且落在大不相同的大气层中。研究人员说，这些结果表明，从云层中落下的雨滴在广泛的行星条件下具有惊人的相似性，这可以帮助科学家更好地了解其他世界的气候和降水周期。
地球上的雨滴是由水组成的，但是我们太阳系中的其他世界的降水是由更不寻常的东西组成的。在金星上，下的是硫酸；在木星上，下的是氦气和粘稠的氨水冰雹。在火星上，下的是二氧化碳，或干冰。在土星的卫星泰坦上，下的是甲烷，或液化天然气。而在海王星上，科学家怀疑它下的是钻石形式的纯碳。如果条件合适，它甚至可以在一些行星上下铁或石英。
一项新的研究对液滴从云中落下时的物理学表现进行了研究，发现只有云中的液滴在有限的尺寸范围内，半径大约在十分之一毫米到几毫米之间，可以作为雨到达岩石行星的表面。这是一个相当狭窄的尺寸范围，因为雨滴在云中形成的过程中体积增加了约一百万倍。
研究结果还显示，在不同的行星条件下，作为雨滴落下的液滴的最大尺寸是相似的。不同类型的液滴的最大尺寸大约是地球上水雨的一半到六倍，这取决于行星的引力强度（引力越强，雨滴越?。?。下图比较地球、火星、木星、土星和土卫六的雨滴大小。
哈佛大学的行星科学家、AGU《地球物理研究》杂志上这项新研究的主要作者凯特琳-洛夫特斯表示，这些不同成分的雨滴可以有一个相当小的稳定尺寸范围，它们都从根本上被限制在相同的最大尺寸。该杂志发表了关于太阳系及以外的行星、卫星和天体的形成和演变的研究。
在新的研究中，Loftus和同事Robin Wordsworth使用数学和物理学原理来模拟液态水滴如何在行星大气中下落。他们想确定水滴从云层落到行星表面的可能尺寸范围。太大的雨滴会分解成更小的雨滴，而太小的雨滴则会在落地前蒸发掉。他们首先确定了在地球和火星这样的岩石行星上水滴的可能大小范围，考虑到大气条件，如温度、气压、相对湿度、从云层到地面的距离以及行星引力的强度。
他们发现半径小于十分之一毫米的雨滴在到达地面之前就已经蒸发了，而半径大于几毫米的雨滴在落下时就会分解成更小的水滴。然后，他们研究了水滴如何落在像木星和土星这样具有巨大大气层的行星上。比较现代地球、古代火星和这些更大气态行星，他们发现雨滴在空气中移动情况类似，尽管构成“空气”的因素在行星之间有很大差异。
根据研究人员的计算，即使不同的液体组成了雨滴，这些外星雨滴与熟悉的水雨滴也没有太大的区别。例如，土卫六上最大的甲烷雨滴是地球上雨滴的两倍左右。Loftus不确定为什么最大的雨滴尺寸如此均匀，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星球上的条件，因为降水是一个星球的气候和营养循环中的关键组成部分。模拟一个遥远世界的降水可能是什么样子，也可以帮助研究人员解释空间望远镜对系外行星大气的观测。
相关报道：其他星球上的雨滴是什么样的？
（）据新浪科技（任天）：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。
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。”
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。”
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。”