北京时间 5 月 24 日消息，地球并不是唯一会出现降雨的星球。物理学家认为，在宇宙的其他地方，肯定也存在类似地球降雨的现象。从天空坠落的物质种类几乎和行星本身一样千差万别。哈佛大学凯特琳・洛夫特斯领导的研究小组发现，整个太阳系中构成雨的所有液体物质都有一个相似之处 —— 所有雨滴，不管由什么物质组成，其大小都大致相同。
不同星球的重力条件和雨滴大小，从上到下分别是地球、火星、木星、土星和土卫六
降雨是地球天气的主要特征之一，不同地区的降雨量差异很大。降雨过程不仅带来了不同的天象，也塑造了地面的景观，雨水侵蚀山谷，填满了河流和湖泊。科学家已经知道，其他星球上也有类似的过程，比如土卫六也具有河流、湖泊、峡谷和降雨，只不过其中的液体是液态甲烷，而不是水。
火星似乎也有降雨的痕迹，尽管要追溯到几十亿年前。木星和土星等气态巨行星并没有像岩石行星那样的表面，但在其大气层的巨大风暴中，雨滴发挥着至关重要的作用，因为它们可以在大气中传递热量。
这就引出了一个有趣的问题：在这些星球上，雨滴是什么样的？它们和地球上的雨滴有多相似？凯特琳・洛夫特斯和罗宾・华兹华斯的研究为我们提供了答案。他们指出，在任何给定的大气中，无论雨滴如何形成，决定其大小的只有三个因素。正因为如此，其他星球上的雨滴很可能与地球上的雨滴有明显的相似之处。
云层的动态机制
首先，让我们来了解一些背景知识。当水蒸气凝结在更小的颗粒（如气溶胶）周围时，雨滴就会在云层内形成并生长。这是一个复杂的非线性过程。凝结过程会重新分配云层的热量和湿度，反过来影响未来水滴的形成。这一现象在广阔的云层空间尺度上是如何发生的，科学家还知之甚少。
不过，在这一过程中形成的液滴是非常相似的。大多数雨滴的大小约为 1 毫米，几乎不会大于 4 毫米，因为任何更大的雨滴都会破裂。雨滴的大小是一致的，因为无论如何形成，它们穿过大气层时所遵循的物理规律都是一样的。
洛夫特斯和华兹华斯表示，只有三种属性 —— 形状、最终速度和下落时的蒸发速度 —— 决定了雨滴的大小。他们说：“从这些属性中，我们证明了在各种各样的行星条件下，只有体积相对较小的雨滴才能从云层到达地表。”
木星的降雨循环图示，其中可能还涉及到氨冰雹
相对而言，科学家对雨滴的形状已经了解得很清楚了。“根据雨滴大小的不同，它们可以选择各种形状，但从来没有像人们想象中的泪滴形状，”研究人员说，“随着雨滴质量的增加，它们会球体演变为扁圆球体，形状类似汉堡包的上层。”
研究人员还确定了不同星球大气中雨滴的最终速度，这取决于向下作用的力（即重力）和反向作用的空气动力阻力。反过来，阻力又取决于雨滴横截面、雨滴穿过大气层的速度、大气层的密度和粘度等因素。当这些力达到平衡时，雨滴就会以稳定的速度落下。
在地球上，雨滴下落发生得非常快。洛夫特斯和华兹华斯指出，即使是最大的雨滴，也会在总下落距离的 1% 内加速到其最终速度的 99%。他们还研究了雨滴大小的变化 —— 比如由蒸发引起的变化 —— 会如何影响这个其降落速度。事实表明，差别并不大。因此，在其他星球大气中的雨滴很可能也和地球雨滴十分相似。
最后，两人研究了雨滴的蒸发速率。这有点复杂，因为液滴表面的蒸发速率取决于周围的湿度、大气密度、水蒸气扩散方式，以及液滴和周围空气的温度。液滴在空气中运动时，会通过传导作用改变其温度；在更高温度下也可以通过辐射来传递热量。因此，这其中涉及的物理学是复杂的。不过，研究人员指出，在考虑所有因素之后，蒸发速率可以用单一参数来表征。
他们的模型结果显示，正如预期的那样，半径小于 1/10 毫米的雨滴在落到表面之前就蒸发了，而半径超过数毫米的更大雨滴会分裂成更接近平均大小的雨滴。
表面张力
两位研究者继续计算雨滴在各种条件下的体积增长情况。他们考虑的一个重要因素是液体的表面张力，正是这种力使雨滴保持形状完整。但是，当外力超过表面张力时，液滴就会破裂。正是这一过程使地球上的雨滴的直径只有数毫米。
两位研究者指出，类似的极限也存在于其他星球的大气中，而且范围很广。一般而言，地外世界的雨滴会受到一些因素的限制，和地球上的雨滴大小相似，并不会出现数量级的差异。“对于类地行星而言，能够将凝结物体输送到表面的雨滴大小只有一个数量级的差异，”他们说，“我们通过一系列冷凝物和行星参数证明，最大雨滴的体积不会有显著变化。”
其他行星上的雨滴可能与落在地球上的雨滴有着惊人的相似之处
他们还指出，同样的物理原理也适用于非水液体组成的雨滴。天文学家发现，一颗名为 WASP-76b 的系外行星具有温度极高的大气层，可以超过 2750 摄氏度，足以使铁气化，并飘到行星较冷的一面凝结并降下“铁雨”。这种“铁雨”的雨滴很可能也遵循和地球雨滴同样的规则。事实上，在流星撞击地球的过程中，也会出现同样的高温和类似的“铁雨”现象。
即使是更大的行星，雨滴也没有明显的大小差异。木星或土星上的雨滴在大小和形状上与地球或火星上的雨滴很相似。同样，雨滴的组成成分对其大小也没有特别大的影响。例如，在土卫六上，雨滴主要由甲烷组成。研究发现，尽管土卫六的重力和天气模式与地球截然不同，但这些甲烷液滴中最大的只有地球上平均雨滴大小的两倍多。
目前还不清楚导致这种均匀性的确切原因，但研究小组认为这与雨滴成分的密度和表面张力有关。了解雨滴如何在其他行星上形成，将帮助行星学家了解系外行星的大气情况。随着更强大的系外行星观测卫星在不久的将来发射升空，这将成为一个更有预见性的话题。
“在对不同环境下雨滴和云层的思考中，我们所获得的信息，将是理解系外行星适居性的关键。”华兹华斯解释道，“从长远来看，它们还可以帮助我们更深入地了解地球本身的气候。”
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