降雨是我们天气的一个决定性特征，不同地区的降雨量差异很大。它塑造了我们的天空和我们的地貌，雕刻山谷，同时充盈河流和湖泊。
我们知道类似的过程也存在于其他地方。土卫六（Titan）也有河流、湖泊、河谷网络和降雨，尽管其中涉及的流体截然不同——液态甲烷而不是水。
火星似乎也留下了降雨的痕迹，尽管是在数十亿年前。尽管像木星和土星这样的气态巨行星没有表面，但雨滴被认为在其表面可见的剧烈风暴中起着至关重要的作用，因为雨滴通过大气输送热量。
这就引出了一个有趣的问题：其他更遥远星球上的雨呢？它与地球上的雨有多相似？
现在，我们得到了答案，这得益于哈佛大学（位于马萨诸塞州剑桥市）的 Kaitlyn Loftus 和 Robin Wordsworth 的工作。这对搭档表示，无论雨滴如何形成，任何给定大气中的雨滴大小仅由三个因素决定。因此，Loftus 和 Wordsworth 说，外星球上的雨滴很可能与地球上的雨滴有着惊人的相似之处。
云的力学
首先，一些背景知识。雨滴在云中形成并生长，当水蒸气围绕着气溶胶等小得多的颗粒凝结时。这 blijkt是一个复杂的不线性过程。冷凝重新分配云内的热量和湿度，而这反过来又影响未来的液滴形成。确切地说，这种情况在云内广阔的空间尺度上是如何发生的，人们知之甚少。
尽管如此，在这个过程中形成的液滴却惊人地相似。大多数雨滴的大小约为一毫米，几乎没有比 4 毫米大的，因为任何更大的液滴都会破裂。大小是均匀的，因为支配液滴穿过大气的物理定律对它们来说都是相同的，无论它们是如何形成的。
Loftus 和 Wordsworth 表示，只有三个特性起作用——雨滴的形状、其终端速度以及下落时的蒸发速率。“从这些特性出发，我们证明，在各种行星条件下，只有在相对狭窄尺寸范围内的雨滴才能从云层到达地表，”研究人员说。
雨滴的形状相对容易理解。“下落的雨滴会根据其大小呈现出各种形状——尽管永远不是公众想象中的水滴形状，”Loftus 和 Wordsworth 说。“随着雨滴质量的增加，它们会从球体演变成扁球体，再演变成类似汉堡包顶部形状的东西。”
研究人员还可以确定任何大气中雨滴的终端速度。这取决于向下的力——重力——以及相反方向的空气动力学阻力。
这反过来又取决于诸如雨滴的横截面积、其在大气中的速度、大气的密度和粘度等因素。当这些力达到平衡时，液滴以恒定或终端速度下落。
在地球上，这种情况发生得很快。Loftus 和 Wordsworth 说，即使是最大的雨滴，在总下落距离的 1% 内也会加速到其终端速度的 99%。
他们还研究了由蒸发等引起的液滴大小变化如何影响速度。结果表明，变化不大。因此，其他大气中的液滴很可能以同样的方式表现。
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、大气的密度、蒸汽在其间的扩散方式以及液滴和周围空气的温度。
空气中的运动可以通过传导以及在较高温度下通过辐射的热量传输来改变这种温度。因此，物理学很复杂。尽管如此，研究人员表示，总而言之，蒸发速率可以用一个参数来表征。
表面张力
他们接着计算在各种条件下雨滴可以长到的尺寸。一个重要因素是雨滴由液体的表面张力结合在一起。但是当外部力强于表面张力时，液滴就会破裂。这一过程阻止了地球上的雨滴长得比几毫米大。
Loftus 和 Wordsworth 说，在各种条件下，其他大气中也会存在类似的限制。因此，总的来说，地外雨滴的大小将与地球上的雨滴在几个因素上相似，但不会相差几个数量级。
“对于类地行星，能够将冷凝物质输送到地表的雨滴大小仅跨越一个数量级，”他们说。“我们证明，在各种可冷凝物和行星参数范围内，最大雨滴尺寸没有显著差异。”
该团队指出，相同的物理定律适用于非水滴。天文学家已经观察到铁在外星球 WASP-76b 的超高温大气中凝结。“铁雨”在这里应该遵循相同的规则。事实上，在地球上，在陨石撞击期间也可能出现类似的温度和假设的现象。
这是朝着对其他行星上的雨滴行为进行普遍描述迈出的迷人一步。也许 Loftus 和 Wordsworth 会将他们的下一篇论文献给地外彩虹。
参考文献：不同行星大气中下落雨滴的物理学：arxiv.org/abs/2102.09570
