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在外星世界里,降雨有何不同?

微生物捕集水中的矿物质和沉淀物,形成了萨尔达湖岸边的岩石。

系外行星Kepler 62f需要有富含二氧化碳的大气层,才能让水以液体形式存在。

在土星最大的卫星――土卫六上,存在定期降雨。与地球上的降雨事件类似,土卫六的“雨水”也经历了地表液体蒸发-空中凝结-降落地表等一系列过程。在地球上,这被称为水文(或水循环),它是地球气候不可或缺的一部分。而在土卫六上,参与循环过程的是甲烷,而不是水。

近年来,科学家们发现系外行星也存在类似降雨模式――“金属雨”或者“熔岩雨”。由此,他们也产生了一个疑问:外星世界的雨水到底有多奇妙?

phys.org网站当地时间3月8日报道,美国哈佛大学的研究人员Kaitlyn Loftus和Robin D. Wordsworth研究了不同太阳系外行星环境中降雨情况的区别。

科学家通过地球的历史降雨记录能够了解地球气候的动力学性质,但他们无法对系外行星展开同样的研究。不过,根据对地球条件的认识,他们可以预测火星和土卫六的气候。

在本次研究中,Loftus等人证明:上述理论也适用于系外行星研究。他写道:“气候是影响可居住性的关键因素之一。在理解不同行星环境中的气候时,云层行为构成了主要的不确定性驱动因素。降雨是云层‘消亡’的关键步骤,因此理解降雨的作用,可以帮助我们约束云层行为,进而更好地预测行星气候。”

降雨还有助于控制大气中滞留的水分。水蒸气是一种良好的温室气体,大气中水分含量的平衡性也会影响气候。降雨既是稳定行性气候(碳酸盐-硅酸盐循环)负反馈机制的重要组成部分,也是外星“宜居带”概念的基础。Loftus说,当下一代望远镜加入潜在宜居系外行星搜索任务时,有关降雨的知识将是必不可少的。

虽然预测遥远系外行星的降雨模式非常困难,但单个雨滴的行为是相对容易理解的。研究人员指出,通过分析单个雨滴所受的流体动力学、热力学和大气条件的综合影响,可以获取大量与行星气候相关的信息。

Loftus等人在研究中展示了根据雨滴形状、下落速度和蒸发速度计算降雨关键特性的方法。Loftus说:“云层和降雨与小尺度(云滴/雨滴,微米-毫米)、中等尺度(云层,千米-10千米)和极大尺度(行星规模)内发生的事件都有密切联系。现在,科学家们还无法用单一模型准确描述所有情况。我们希望用水循环中最简单的‘云下雨滴’来限制所有复杂场景中的重要因素。”

最终,研究人员发现,在各种行星环境下,只有尺寸相对较小的雨滴才能抵达地表。

当詹姆斯?韦伯太空望远镜等先进仪器投入使用后,科学家对系外行星的研究将变得更加便捷。他们可以对较小质量的系外行星的大气展开研究,确定其大气化学成分和“生物特征”,进而挖掘出潜在的宜居岩质行星。

科界原创

编译:雷鑫宇

审稿:西莫

责编:陈之涵

期刊来源:《地球物理研究杂志:行星》

期刊编号:2169-9097

原文链接:

https://phys.org/news/2021-03-alien-world.html

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