物理定律如何限制外星雨滴的大小

导读 无论是土星卫星土卫六上的甲烷还是系外行星WASP76b上的铁,外星雨滴在银河系中的表现都是相似的。根据外星雨的第一个广义物理模型,它们总

无论是土星卫星土卫六上的甲烷还是系外行星WASP76b上的铁,外星雨滴在银河系中的表现都是相似的。根据外星雨的第一个广义物理模型,它们总是接近相同的大小,无论它们是由什么液体制成的,也不管它们落入的大气层如何。

哈佛大学的行星科学家KaitlynLoftus说:“你可以从很多东西中得到雨滴。”她在4月的地球物理研究杂志:行星上发表了关于雨滴离开云层后落下的情况的新方程式。先前的研究着眼于特定情况下的降雨,例如地球上的水循环或土星卫星土卫六上的甲烷雨(SN:3/12/15)。但这是第一项考虑由任何液体产生的雨的研究。

“他们提出的建议可以应用于任何行星,”法国尼斯蔚蓝海岸天文台的天文学家特里斯坦吉洛说。“这真的很酷,因为这是真正需要了解其他世界大气层中正在发生的事情的东西。”

了解云和降水是如何形成的对于掌握另一个世界的气候很重要。云层可以加热或冷却行星表面,雨滴有助于在大气中传输化学元素和能量。

然而,雨滴受一些简单的物理定律支配。无论液体的特性如何,下落的液滴往往会默认为相似的形状。液滴蒸发的速率由其表面积决定。

“这基本上是流体力学和热力学,我们非常了解,”Loftus说。

她和哈佛行星科学家罗宾华兹华斯考虑了各种不同形式的雨,包括早期地球上的水、古代火星和一颗名为K218b的气态系外行星,它可能含有水蒸气云(SN:9/11/19)。两人还考虑了土卫六的甲烷雨、木星上的氨“蘑菇球”和超热气态巨系外行星WASP76b(SN:3/11/20)上的铁雨。“所有这些不同的可冷凝物的行为都相似,[因为]它们受相似的方程式支配,”她说。

该团队发现重力较高的世界往往会产生较小的雨滴。尽管如此,所有研究的雨滴都落在相当狭窄的尺寸范围内,半径从大约十分之一毫米到几毫米。Loftus和Wordsworth发现,比这大得多,雨滴在落下时会破裂。小得多,它们会在撞击地面之前蒸发(对于具有固体表面的行星),从而将水分保持在大气中。

最终,研究人员希望将研究扩展到雪花和冰雹等固体降水,尽管那里的数学会更加复杂。“每片雪花都是独一无二的这句格言是真实的,”洛夫图斯说。

蒙特利尔大学的天文学家BjörnBenneke说,这项工作是了解一般降水的第一步,他在K218b的大气层中发现了水蒸气,但没有参与这项新研究。“这就是我们都在努力的目标,”他说。“发展一种对大气和行星如何运作的全球理解,而不仅仅是完全以地球为中心。”