Hvordan ville regn være anderledes i en fremmed verden?

På Titan, Saturns største måne, det regner med jævne mellemrum. Som med Jorden, disse regner er resultatet af væske, der fordamper på overfladen, kondenserer i himlen, og falder tilbage til overfladen som nedbør. På jorden, dette er kendt som den hydrologiske (eller vand) cyklus, som er en uundværlig del af vores klima. I Titans tilfælde, de samme trin er alle der, men det er metan, der udveksles og ikke vand.

I de seneste år, videnskabsmænd har fundet beviser for lignende mønstre, der involverer exoplaneter, med alt fra smeltet metal til lavaregn! Dette rejser spørgsmålet om, hvor eksotisk regnen kan være på fremmede verdener. For nylig, et team af forskere fra Havard University udførte en undersøgelse, hvor de undersøgte, hvordan regn ville adskille sig i en mangfoldig række af ekstrasolare planetariske miljøer.

Denne undersøgelse blev udført af Kaitlyn Loftus, en ph.d. studerende fra Harvards Institut for Jord- og Planetvidenskab. Hendes vejledende professor (og medforfatter på undersøgelsen) var Robin D. Wordsworth, som leder Wordsworth Planetary Climate and Atmospheric Evolution Research Group ved Harvard's School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).

Forskning i nedbør og registreringer af tidligere nedbør på Jorden har lært videnskabsmænd meget om den dynamiske natur af klimaet. Desværre, den samme forskning er endnu ikke mulig med exoplaneter, som forhindrer videnskabsmænd i at kunne sætte strammere begrænsninger på deres potentielle beboelighed. Imidlertid, viden om disse forhold på Jorden har hjulpet forskere med at forudsige planetariske klimaer Mars, og Titan.

Af hensyn til deres studie, Loftus og Wordsworth undersøgte, hvordan dette også kunne anvendes på exoplaneter. Som Loftus forklarede til Universe Today via e-mail:

"En nøglekomponent i beboelighed er klima (for at teste, om en planet kan understøtte flydende overfladevand). En vigtig drivkraft for usikkerhed i forståelsen af ​​klimaet i forskellige planetariske miljøer (selv, sige, den nuværende overgang af den moderne Jord til højere CO ₂ niveauer) er, hvordan skyer opfører sig. Nedbør er en vigtig måde, hvorpå skyer "dør, "så at forstå, hvordan nedbør virker, kan hjælpe os med at begrænse skyadfærd og i sidste ende bedre forudsige planetarisk klima.

"Nedbør hjælper desuden med at kontrollere, hvor meget vand der forbliver i en atmosfære. Da vanddamp er en meget god drivhusgas, denne afbalancering af, hvor meget vand der er i en atmosfære, kan også påvirke klimaet... Endelig, nedbør er en væsentlig komponent i den negative feedback-mekanisme til at stabilisere planetariske klimaer (carbonat-silikat-cyklussen), der ligger til grund for konceptet om exoplaneten "beboelig zone."

Denne viden vil være væsentlig, Loftus tilføjede, når næste generations teleskoper slutter sig til søgen efter potentielt beboelige exoplaneter. I de kommende år, astronomer og astrobiologer vil være i stand til at udføre direkte billeddannelsesundersøgelser af exoplanetatmosfærer. At have modeller på plads, der forudsiger, hvordan skyer og vanddamp opfører sig på disse planeter, vil gå langt i retning af at måle deres beboelighed.

Selvom det er meget vanskeligt at forudsige nedbørsmønstrene for en fjern exoplanet, en komponent, der let kan forstås, er adfærden af ​​individuelle regndråber. I betragtning af at hver regndråbe, der falder fra en sky, er styret af en kombination af væskedynamik, termodynamik, og atmosfæriske forhold, deres undersøgelse kan afsløre meget om en planets klima.

Loftus og prof. Wordsworth fortsatte med at vise, hvordan tre nøgleegenskaber kunne beregnes ud fra tre nøgleegenskaber:deres form, deres faldende hastighed, og den hastighed, hvormed de fordamper. sagde Loftus:

"Skyer og nedbør er meget afhængige af, hvad der sker på meget små skalaer (skydråber/regndråber ~ mikron-millimeter), mellemstore vægte (skyer, kilometer-10s kilometer), og meget store skalaer (vandbudgetter i planetskala). At repræsentere alle disse skalaer nøjagtigt i en enkelt model er ikke håndterbart med moderne (eller overskuelig fremtid) computere."

"Det, vi forsøger at gøre, er at bruge den enkleste og bedst forståede komponent i vandkredsløbet - regndråber under en sky - for at begrænse det, der er 'vigtigt', blandt al kompleksiteten, " tilføjede hun. Vigtigt er bestemt et subjektivt udtryk, men i dette tilfælde, det indebærer sporing af, hvor meget atmosfærisk vanddamp, der i sidste ende bliver til vand på overfladen - et nøglekrav til eksistensen af ​​liv, som vi kender det.

Fra disse tre ejendomme, de var i stand til at få et simpelt udtryk til at forklare regndråbernes opførsel ud fra mere komplicerede ligninger. Ultimativt, de fandt ud af, at det (på tværs af en lang række planetariske forhold) kun var regndråber i et relativt snævert størrelsesområde, der kunne nå overfladen. Som Loftus antydede, deres forskning kunne give mulighed for forbedrede repræsentationer af nedbør i komplekse klimamodeller i fremtiden:

"Lige nu er meget af det, vi forstår om, hvordan skyer og nedbør fungerer i et større klimasystem, drevet af det, vi ser (og har set) på Jorden. dette efterlader en del usikkerhed om, hvor gyldigt det er at overføre sådanne empiri til regimer, hvor mange fysiske forhold er forskellige.

"[S]å der er mange store spørgsmålstegn omkring alle ikke-moderne geovidenskabelige spørgsmål, der afhænger af, hvordan skyer/nedbør opfører sig. Dette arbejde forsøger langsomt at opbygge kapaciteten til at udvikle teoretisk baserede forventninger til, hvordan skyer og nedbør bør opføre sig uden for den moderne Jord og i sidste ende sætte bedre begrænsninger på de store spørgsmålstegn."

Dette vil være meget praktisk, når James Webb-rumteleskopet blev opsendt den 31. oktober, 2021. Ved at bruge sin avancerede suite af infrarøde instrumenter og spektrometre, James Webb vil være i stand til at studere atmosfærerne af exoplaneter med mindre masse, der kredser tættere på deres stjerner - dvs. hvor potentielt beboelige klippeplaneter højst sandsynligt vil opholde sig.

Disse vil gøre det muligt for forskere at bestemme den kemiske sammensætning af disse planeters atmosfærer, som kan omfatte vanddamp og andre afslørende "biosignaturer". Andre teleskoper, såsom ESO's Extremely Large Telescope (ELT), Giant Magellan Telescope (GMT) og Nancy Grace Roman Space Telescope vil være i stand til at udføre lignende direkte billeddannelsesundersøgelser af exoplaneter.

Disse instrumenter vil give mulighed for hidtil usete niveauer af exoplanetkarakterisering, hvilket er noget, exoplanetstudier er gået over til i de senere år. Med over 4000 bekræftede exoplaneter tilgængelige for undersøgelse, astronomer er ikke længere udelukkende fokuseret på at finde lovende kandidater til studiet. På dette tidspunkt, det handler om at finde ud af, hvem af disse kandidater, der opfylder kravene til livet!

Resultaterne blev offentliggjort i et papir, med titlen "Fysikken om faldende regndråber i forskellige planetariske atmosfærer, ", der for nylig dukkede op online og blev indsendt til offentliggørelse til Journal of Geophysical Research:Planeter .