地球之外的雨

張唯誠

一顆可能下雨的系外行星K218b

太陽系中的雨

事實上，并不是只有地球上有下雨的現(xiàn)象。地球之外的很多星球，包括行星、衛(wèi)星和恒星上都會下雨。那么，地球之外的雨是怎樣的？這些雨和地球上的雨一樣嗎？它們有什么奇異之處？

根據(jù)此前的研究，科學家們在一些不同的星球上發(fā)現(xiàn)了雨。例如，木星就存在很猛烈的天氣現(xiàn)象，因為它的氣候系統(tǒng)是一個幾乎永無止境的大循環(huán)，那里的風暴會不斷發(fā)展壯大，然后形成降雨。雨滴在抵達木星核前就被蒸發(fā)，又以蒸氣的形式再度上升并孕育下一輪新的風暴，由此循環(huán)往復，永無休止。一般來說，木星的雨形成于溫度和壓力很高的區(qū)域，在那里，氦和氖結(jié)合后凝結(jié)成雨滴，然后向木星的中心墜落。

同時，土星的衛(wèi)星——土衛(wèi)六上也下雨。“卡西尼號”星際探測器向人們提供了土衛(wèi)六上存在降雨的證據(jù)。它在多次飛越土衛(wèi)六的赤道地區(qū)時，發(fā)現(xiàn)那里的地表發(fā)生了亮度上的變化，似乎是一場甲烷雨打濕了地表，然后那些雨又蒸發(fā)或者流失掉了。據(jù)多方的研究和探測表明，在土衛(wèi)六上降下甲烷雨應該是十分尋常的事情，且雨量應該比地球上的雨還要大。

系外行星上的雨

今天，人們在太陽系之外發(fā)現(xiàn)了很多行星。隨著探測系外行星技術(shù)的日益進步，人們也發(fā)現(xiàn)了有降雨現(xiàn)象的系外行星。例如一顆名為K218b的系外行星，就被認為是一顆有降雨現(xiàn)象的星球。這顆行星被發(fā)現(xiàn)于2015年，距地球約110光年。天文學家們使用開普勒太空望遠鏡在一顆屬于紅矮星的暗恒星周圍發(fā)現(xiàn)了它。

K218b的環(huán)境與地球很不相同，但它位于宜居帶中，合適的溫度使這顆行星擁有液態(tài)水，而液態(tài)水的存在對生命而言是非常重要的。來自太空望遠鏡和計算機模擬的數(shù)據(jù)表明，K218b的大氣中含有水蒸氣。科學家們認為，這顆行星的大氣中有云，它們形成于一個特定的地方，那里可能有合適的壓力和溫度，可以讓液態(tài)水形成并凝結(jié)成雨。但這些雨滴可能永遠也不會降落到地面上，它們只能抵達稠密大氣層中的某一點，那里的壓力和溫度非常高，以至于雨滴還未落到地面就被蒸發(fā)掉了，于是水蒸氣再次上升形成云。

據(jù)推測，K218b可能沒有堅實的表面，而固體的表面正是人們所知道的生命可以進化的地方。K218b的直徑是地球的2倍多一點，而質(zhì)量卻是地球的8倍。科學家們認為，在銀河系中，大多數(shù)系外行星在大小上都和這顆行星相似，但人們現(xiàn)在很難判斷它們究竟是巖石構(gòu)成的“超級地球”或是氣態(tài)的“迷你海王星”，還是一個“水世界”。

此外，人們還探測到一顆名為Wasp-76b的系外行星上有可能降下金屬雨。這顆行星距離它的主恒星非常近，其中靠近恒星的一面在白天溫度超過2400℃，足以蒸發(fā)金屬，而背向恒星的一面在夜晚又比白天的溫度低1000℃，這使得一些金屬微粒能夠凝結(jié)并像雨點一樣落下來。

木星大氣中有下雨的現(xiàn)象。這是“朱諾號”木星探測器拍攝的木星漩渦云。

雨滴的表現(xiàn)，在整個銀河系中都是類似的。

恒星上的雨

除了行星外，人們還發(fā)現(xiàn)在有些恒星上也有降雨的現(xiàn)象，這種恒星被稱為“褐矮星”。它們有些特別，輻射非常微弱，溫度也非常低。其中的一些看上去更具備行星的特質(zhì)，尤其與那些氣態(tài)巨行星很相似。例如，它們會擁有充斥著一氧化碳、硫化氫、甲烷、氨和水的大氣。這層大氣翻騰和涌動著，形成奇妙異常的天氣系統(tǒng)，其內(nèi)部的熱量導致氣流的上升，從而凝結(jié)成云。人們還注意到，褐矮星上的大氣活動非常劇烈，擁有類似木星大紅斑的強大風暴，但規(guī)模遠遠超過了木星大紅斑。

有些褐矮星的大氣溫度更高一些，在這種褐矮星上還有可能擁有氣態(tài)的鐵和硅酸鹽。這些鐵和硅酸鹽會隨著高度的上升和溫度的下降而凝結(jié)并變成雨。據(jù)此，你可以想象鐵雨在由熾熱的沙粒組成的打著旋的云層中傾泄而下的情景。

很顯然，宇宙中的雨是各不相同的。天文學家們已經(jīng)在各種特定的情況下研究了各類不同的降雨，包括地球上的雨、土衛(wèi)六上的甲烷雨、系外行星大氣中很快就被蒸發(fā)掉的雨等。這些雨由不同的物質(zhì)組成，形成于各種不同的地方。然而，它們之間真的沒有相同之處嗎？

雨的“行為準則”

2021年4月，美國哈佛大學的行星科學家凱特琳·洛夫特斯和同事羅賓·華茲華斯發(fā)表了他們最新的研究成果。他們的分析表明，雨滴的表現(xiàn)在整個銀河系中都是類似的。無論是土衛(wèi)六上的甲烷雨，還是系外行星Wasp-76b上的金屬雨，它們都遵守相同的法則，即不管它們是由什么物質(zhì)組成的，液態(tài)雨滴的大小總是相似的。

在宇宙中，不管環(huán)境多么的不同，雨滴依然受一些簡單的物理定律所控制，因此任何下落的液態(tài)雨滴都趨向于球形，而它們蒸發(fā)的速率也取決于它們的表面積。它們所遵循的法則基本屬于流體力學和熱力學。

凱特琳·洛夫特斯和羅賓·華茲華斯考慮了各種不同的星球環(huán)境，包括地球、木星、土衛(wèi)六和系外行星。他們認為，所有這些地方不同的降雨在行為上都是相似的。同時他們還發(fā)現(xiàn)，引力更強的世界往往會產(chǎn)生更小的雨滴，但所有雨滴的大小都不會超出一個狹窄的范圍，其半徑大都處在1/10毫米到幾毫米之間，既不會更大，也不會更小。這是因為巨大的雨滴會在下落的時候發(fā)生分裂，形成更小的雨滴，而太小的雨滴則會在撞擊地面之前就被蒸發(fā)掉。

研究宇宙中的降雨現(xiàn)象是了解外星大氣的重要內(nèi)容，在這一點上，不能完全以地球為中心。天文學家們認為，人們應該認識宇宙中不同的降雨，了解它們的普遍規(guī)律，從而建立一個有關(guān)大氣和星球如何工作的普遍的模式。