新研究称系外宜居行星的降雨模式都与地球类似

未来某一天，人类可能会登上另一个宜居的星球。即便地貌与地球截然不同，但大家肯定不会对某种自然现象感到陌生，那就是 —— 下雨！近日，哈佛大学研究人员在JGR《行星》期刊上发表了一篇新论文，其中就提到了不同行星环境中的雨滴仍非常相似 —— 甚至与地球和木星完全不同的行星也是如此。

研究配图 - 1：雨滴高度与落地留存的等效半径之间的关系

了解其它星球上的雨滴行为，不仅能够揭示火星等行星上的远古气候，也是确定太阳系外潜在宜居行星的一个关键。

研究配图 - 2：行星半径 / 雨滴蒸发质量之间的关系

研究一作、地球与行星科学系研究生 Kaitlyn Loftus 表示：在考虑行星的宜居性时，云层的生命周期就显得尤为重要。然而云和将水之间的关系实在太复杂，此前完全无法通过完全地建模来了解。

研究配图 - 3：蒸发比例 / 垂直风速 / 类似行星初始半径 r0 之间的关系

为此，研究人员想到了寻求更简单的云演化方法，第一步就是液滴到底是在大气中蒸发、还是最终以雨滴的形式落到地面。

研究配图 - 4：地表蒸发量 / 初始雨滴半径之间的关系

哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）环境科学与工程系副教授 Robin Wordsworth 指出：“降雨是所有行星水循环的一个重要组成本部分，若我们了解了单个雨滴的行为，就可更好地预测复杂气候模型中的降雨”。

研究配图 - 5：最大稳定水滴 / 气压或密度关系

如果液滴太大，很可能因为表面张力的不足而破裂。如果水滴太小，又极有可能在落地前蒸发殆尽。为此，Loftus 和 Wordsworth 选择了仅考虑三个属性，即水滴的形状、下落速度、以及蒸发速度。

研究配图 - 6：干燥行星地表气压 / 重力 / 温度之间的关系

据悉，液滴形状在不同成分的降雨材料上都是相同的，并且主要取决于液滴的重量。尽管许多人会想到水龙头下方的泪滴形水滴，但雨滴在很小时其实呈现的是球形、然后逐渐增大并变得更加苗条、最终变成了汉堡顶部的面包片形状。

研究配图 - 7：气压与局部空气吸热

随后雨滴的下落速度，主要取决于相应的形状、以及重力 / 周围空气密度的关系。至于蒸发的速度，则受大气成分、气压、温度、相对湿度等因素的影响。

研究配图 - 8：大气高度 / 最小雨滴初始半径之间的关系

在综合考量了上述所有因素之后，Loftus 和 Wordsworth 最终得出了一个结论 —— 数学计算都表明，在相当广泛的行星条件下，云中潜在大小合适的液滴中，都只有很小一部分能最终到达地面。

之后当我们需要在系外行星上模拟云周期时，即可用这套行为理论来作为指导。此外从长远来看，我们还可借此来深入了解地球自身、以及系外宜居行星的气候。

有关这项研究的详情，已经发表在近日出版的《JGR Planet》期刊上，原标题为《The Physics of Falling Raindrops in Diverse Planetary Atmospheres》。