未來某一天，人類可能會登上另一個宜居的星球。即便地貌與地球截然不同，但大家肯定不會對某種自然現象感到陌生，那就是——下雨！近日，哈佛大學研究人員在JGR《行星》期刊上發表了一篇新論文，其中就提到了不同行星環境中的雨滴仍非常相似——甚至與地球和木星完全不同的行星也是如此。

研究配圖- 1：雨滴高度與落地留存的等效半徑之間的關係

了解其它星球上的雨滴行為，不僅能夠揭示火星等行星上的遠古氣候，也是確定太陽系外潛在宜居行星的一個關鍵。

研究配圖- 2：行星半徑/ 雨滴蒸髮質量之間的關係

研究一作、地球與行星科學系研究生Kaitlyn Loftus 表示：在考慮行星的宜居性時，雲層的生命週期就顯得尤為重要。然而云和將水之間的關係實在太複雜，此前完全無法通過完全地建模來了解。

研究配圖- 3：蒸發比例/ 垂直風速/ 類似行星初始半徑r0 之間的關係

為此，研究人員想到了尋求更簡單的雲演化方法，第一步就是液滴到底是在大氣中蒸發、還是最終以雨滴的形式落到地面。

研究配圖- 4：地表蒸發量/ 初始雨滴半徑之間的關係

哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院（SEAS）環境科學與工程系副教授Robin Wordsworth 指出：“降雨是所有行星水循環的一個重要組成本部分，若我們了解了單個雨滴的行為，就可更好地預測複雜氣候模型中的降雨”。

研究配圖- 5：最大穩定水滴/ 氣壓或密度關係

如果液滴太大，很可能因為表面張力的不足而破裂。如果水滴太小，又極有可能在落地前蒸發殆盡。為此，Loftus 和Wordsworth 選擇了僅考慮三個屬性，即水滴的形狀、下落速度、以及蒸發速度。

研究配圖- 6：乾燥行星地表氣壓/ 重力/ 溫度之間的關係

據悉，液滴形狀在不同成分的降雨材料上都是相同的，並且主要取決於液滴的重量。儘管許多人會想到水龍頭下方的淚滴形水滴，但雨滴在很小時其實呈現的是球形、然後逐漸增大並變得更加苗條、最終變成了漢堡頂部的麵包片形狀。

研究配圖- 7：氣壓與局部空氣吸熱

隨後雨滴的下落速度，主要取決於相應的形狀、以及重力/ 周圍空氣密度的關係。至於蒸發的速度，則受大氣成分、氣壓、溫度、相對濕度等因素的影響。

研究配圖- 8：大氣高度/ 最小雨滴初始半徑之間的關係

在綜合考量了上述所有因素之後，Loftus 和Wordsworth 最終得出了一個結論—— 數學計算都表明，在相當廣泛的行星條件下，雲中潛在大小合適的液滴中，都只有很小一部分能最終到達地面。

之後當我們需要在系外行星上模擬雲週期時，即可用這套行為理論來作為指導。此外從長遠來看，我們還可藉此來深入了解地球自身、以及系外宜居行星的氣候。

有關這項研究的詳情，已經發表在近日出版的《JGR Planet》期刊上，原標題為《The Physics of Falling Raindrops in Diverse Planetary Atmospheres》。