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從天空墜落的物質(zhì)種類幾乎和行星本身一樣千差萬別。哈佛大學凱特琳·洛夫特斯領導的研究小組發(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。
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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
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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??茖W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。
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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暴中,雨滴發(fā)揮著至關重要的作用,因為它們可以在大氣中傳遞熱量。
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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。
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云層的動態(tài)機制
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首先,讓我們來了解一些背景知識。當水蒸氣凝結(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,科學家還知之甚少。
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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。
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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?!?/p>
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木星的降雨循環(huán)圖示,其中可能還涉及到氨冰雹
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相對而言,科學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>
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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。當這些力達到平衡時,雨滴就會以穩(wěn)定的速度落下。
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在地球上,雨滴下落發(fā)生得非???。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。
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最后,兩人研究了雨滴的蒸發(fā)速率。這有點復雜,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是復雜的。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。
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他們的模型結(jié)果顯示,正如預期的那樣,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。
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表面張力
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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。
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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。“對于類地行星而言,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。”
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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
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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。
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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。
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目前還不清楚導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。了解雨滴如何在其他行星上形成,將幫助行星學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見性的話題。
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“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?!?br>
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