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新研究称系外宜居行星的降雨模式都与地球类似

来源:  cnBeta.COM       发布时间:2021-4-7 17:51  |  

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。

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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。

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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。

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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。

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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”。

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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。

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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。

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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。

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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》。

(编辑:于思洋

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