Размер капель дождя может помочь найти потенциально обитаемые планеты

Однажды человечество может ступить на другую обитаемую планету. Эта планета может выглядеть совсем не так, как Земля, но одна вещь будет казаться нам знакомой — дождь.

В недавней статье гарвардские исследователи обнаружили, что капли дождя удивительно похожи на разных планетах, даже на таких резко отличающихся друг от друга планетах, как Земля и Юпитер. Понимание поведения дождевых капель на других планетах является ключом не только к выявлению древнего климата на таких планетах, как Марс, но и к выявлению потенциально обитаемых планет за пределами нашей Солнечной системы.

«Жизненный цикл облаков действительно важен, когда мы думаем о обитаемости планет», — говорят авторы статьи. «Но облака и осадки действительно слишком сложны, чтобы смоделировать их полностью. Мы ищем более простые способы понять, как развиваются облака, и первый шаг заключается в том, испаряются ли облачные капли в атмосфере или попадают на поверхность в виде дождя.»

«Скромная дождевая капля является жизненно важным компонентом цикла осадков для всех планет. Если мы поймем, как ведут себя отдельные капли дождя, мы сможем лучше представлять осадки в сложных климатических моделях.»

Существенным аспектом поведения дождевых капель, по крайней мере для разработчиков климатических моделей, является то, попадает ли дождевая капля на поверхность планеты, потому что вода в атмосфере играет большую роль в климате планеты. Для этого важен размер. Слишком большая, и капля распадется из-за недостаточного поверхностного натяжения, независимо от того, вода это, метан или перегретое жидкое железо, как на экзопланете под названием WASP-76b. Слишком мало, и капля испарится, прежде чем ударится о поверхность.

Исследователи определили зону Златовласки для размера дождевой капли, используя только три свойства: форму капли, скорость падения и скорость испарения.

Форма капель одинакова для разных дождевых материалов и в первую очередь зависит от того, насколько тяжелая капля. Хотя многие из нас могут представить себе традиционную каплю в форме слезы, капли дождя на самом деле имеют сферическую форму, когда они маленькие, они сжимаются по мере роста, пока не приобретут форму, напоминающую верхушку булочки для гамбургера. Скорость падения зависит от этой формы, а также от силы тяжести и плотности окружающего воздуха.

Скорость испарения более сложна, на нее влияют состав атмосферы, давление, температура, относительная влажность и многое другое.

Принимая во внимание все эти свойства, ученые обнаружили, что в очень широком диапазоне планетарных условий математика падения дождевых капель означает, что только очень малая часть возможных размеров капель в облаке может достичь поверхности.

«Мы можем использовать это поведение, чтобы направлять нас при моделировании облачных циклов на экзопланетах», — говорят исследователи.

«Идеи, которые мы получаем, размышляя о каплях дождя и облаках в различных средах, являются ключом к пониманию обитаемости экзопланет. В долгосрочной перспективе они также могут помочь нам получить более глубокое понимание климата самой Земли.»

Kaitlyn Loftus et al. The Physics of Falling Raindrops in Diverse Planetary Atmospheres, Journal of Geophysical Research: Planets (2021). DOI: 10.1029/2020JE006653