Новое исследование показывает, что капли дождя на других планетах и лунах имеют размер примерно с капли дождя на Земле. Это происходит независимо от их химического состава и типа атмосферы планеты.
Капли дождя на Земле состоят из воды, но в других мирах Солнечной системы дожди состоят из более необычных материалов. На Венере идут сернокислые дожди, а на Юпитере вы можете попасть под град из гелия и аммиака. На Марсе выпадает снег из углекислого газа, а на спутнике Сатурна - Титане, - идут дожди из метана.
Реальность гелиевого дождя на Юпитере и Сатурне была продемонстрирована в одной из статей журнала Nature. Исследователи сжали смесь водорода и гелия до 4 ГПа, а затем использовали Omega Laser Facility в лаборатории лазерной энергии Университета Рочестера для дальнейшего повышения давления и температуры образца. В результате они обнаружили доказательства разделения гелий-водородной смеси и показали, что существует диапазон давлений и температур, при которых исследуемая смесь становится нестабильной и распадается. Этот переход происходит в условиях давления и температуры, близких к тем, которые необходимы для превращения водорода в металлическую жидкость.
Уран и Нептун еще более примечательны. Существуют теории, согласно которым в условиях экстремального давления на этих планетах водород и углерод превращаются в алмазы, которые затем выпадают дождями. Благодаря эксперименту, проведенному международной группой ученых, этот «алмазный дождь» был впервые воссоздан в лаборатории, что дало нам первое представление о том, как все может выглядеть внутри ледяных гигантов.
В 2017 году Краус и другие воссоздали окружающую среду внутри Урана и Нептуна, сгенерировали ударные волны в пластике с помощью оптического лазера Matter in Extreme Condition (MEC) в лаборатории SLAC Министерства энергетики США. Ученые смогли увидеть, что почти каждый атом углерода исходного пластика был включен в крошечные алмазные структуры шириной до нескольких нанометров. Авторы предсказывают, что алмазы на Уране и Нептуне могут стать намного больше и весить миллионы каратов. Ученые также считают, что возможно, что на протяжении тысяч лет алмазы медленно погружаются в ледяные слои планеты и превращаются в толстый слой вокруг ее ядра.
На некоторых внесолнечных планетах (экзопланетах) мы ожидаем выпадения железа и кварца. Примером может служить сверхгорячая экзопланета WASP-76b, на которой астрономы наблюдали конденсацию железа. Она находится на расстоянии 640 световых лет от звезды, так что ей нужно всего 43 часа, чтобы совершить один оборот. Суточные температуры на WASP-76b превышают 2400°C. Эта температура достаточно высока для испарения металлов. С другой стороны, ночная сторона планеты на 1000 градусов холоднее, что позволяет этим металлам конденсироваться и выпадать в виде дождя.
WASP-76b был изучен группой Эренрайха и др. (2020), которые использовали инструмент Espresso на телескопе VLT в Европейской южной обсерватории ESO. Ученые обнаружили сильную сигнатуру паров железа на вечерней границе, терминаторе, где день на WASP-76b превращается в ночь. Однако на утренней границе этого сигнала не было. Ученые считают, что железо конденсируется на ночной стороне, которая, пока еще горячая (при 1400°C), также достаточно холодна, чтобы железо могло конденсироваться в облака, дождь, и, зможно, капли. Эти капли могут попасть в более глубокие слои атмосферы, недоступные для телескопа.
Анализ, проведенный Кейтлин Лофтус и Робин Вордсворт из Гарвардского университета, Массачусетс, США, в котором авторы изучают физику поведения жидких капель при падении с облаков, идеально вписывается в эти исследования и соображения. Они показали, что только капли ограниченного диапазона размеров - лучи в диапазоне от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров - могут достигать поверхности каменистых планет в виде дождя. Это довольно узкий диапазон размеров, учитывая, что капли дождя увеличиваются в объеме примерно в миллион раз по мере их образования внутри облака.
Лофтус и Вордсворт также показали, что максимальный размер капель жидкости, падающих во время дождя, одинаков в разных планетных условиях. Как можно видеть на рисунке ниже, различные типы жидких капель достигают максимального размера от половины до шести раз больше размера водяного дождя на Земле, в зависимости от гравитационной силы планеты (чем сильнее гравитационное притяжение, тем меньше капли дождя).
Авторы сначала определили возможные диапазоны размеров капель воды на каменистых планетах, таких как Земля и Марс, с учетом таких атмосферных условий, как температура, давление воздуха, относительная влажность, расстояние от облака до поверхности планеты и ее гравитационное притяжение. Они обнаружили, что слишком большие капли дождя распадаются на более мелкие, а слишком маленькие капли испаряются, прежде чем упадут на поверхность. Затем они посмотрели, как капли дождя падают на гораздо более крупные планеты, такие как Юпитер и Сатурн. Сравнив современную Землю, древний Марс и гораздо более крупные планеты, они обнаружили, что капли дождя переносят жидкость через атмосферу аналогичным образом, хотя состав атмосферы сильно различается между планетами. Нет уверенности почему максимальный размер капель дождя настолько универсален. Ученые подозревают, что это может быть связано с тем, как поверхностное натяжение капли сравнивается с ее плотностью.
Эти результаты помогут ученым лучше моделировать условия на других планетах, поскольку осадки являются ключевой частью климата и цикла питательных веществ на планете. Моделирование того, как могут выглядеть осадки в далеком мире, также может помочь ученым интерпретировать наблюдения экзопланетных атмосфер, сделанные с помощью космических телескопов.