Przejdź do treści

Jak wygląda deszcz na innych planetach?

Kropla deszczu

Nowe badania pokazują, że krople deszczu na innych planetach i księżycach są zbliżone wielkością do kropli deszczu na Ziemi. Dzieje się tak niezależnie od ich składu chemicznego i od rodzaju atmosfery planety. 

Krople deszczu na Ziemi składają się z wody, ale inne światy w Układzie Słonecznym mają opady złożone z bardziej niezwykłych materiałów. Na Wenus pada kwas siarkowy, a na Jowiszu można dostać po głowie gradem helu i amoniaku. Na Marsie może nas posypać śnieg złożony z dwutlenku węgla, zaś na księżycu Saturna, Tytanie, pada metan, czyli skroplony gaz ziemny.

Realność helowego deszczu na Jowiszu i Saturnie została wykazana przez Brygoo i in. (2021). Naukowcy skompresowali mieszaninę wodoru i helu do ciśnienia 4 GPa, a następnie użyli Omega Laser Facility w Laboratorium Energetyki Laserowej Uniwersytetu Rochester, aby jeszcze bardziej zwiększyć ciśnienie i temperaturę próbki. W rezultacie znaleźli dowody na rozdzielanie się mieszaniny helu i wodoru i pokazali, że istnieje zakres ciśnień i temperatur, w których badana mieszanina staje się niestabilna i ulega rozpadowi. Przejście to zachodzi w warunkach ciśnienia i temperatury zbliżonych do tych wymaganych do przekształcenia wodoru w metaliczny płyn.

Jeszcze bardziej niezwykłe są Uran i Neptun. Istnieją teorie, że w ekstremalnych warunkach ciśnienia panującego na tych planetach wodór i węgiel przemieniają się w diamenty, które następnie opadają do wnętrza. Dzięki eksperymentowi przeprowadzonemu przez międzynarodowy zespół naukowców, ten „diamentowy deszcz” został po raz pierwszy odtworzony w warunkach laboratoryjnych, dając nam pierwszy wgląd w to, jak rzeczy mogą wyglądać wewnątrz lodowych olbrzymów.

Diamentowy deszcz na Neptunie

Na ilustracji: wizja artystyczna diamentowego deszczu na Neptunie. ©Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

W roku 2017, Kraus i inni odtworzyli środowisko znajdujące się wewnątrz Urana i Neptuna, wygenerowali fale uderzeniowe w plastiku za pomocą lasera optycznego instrumentu Matter in Extreme Conditions (MEC) w laboratorium SLAC należącym Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych. Naukowcy byli w stanie zobaczyć, że prawie każdy atom węgla oryginalnego plastiku został włączony do małych struktur diamentowych o szerokości do kilku nanometrów. Autorzy przewidują, że na Uranie i Neptunie diamenty mogą stać się znacznie większe i ważyć miliony karatów. Naukowcy sądzą również, że możliwe jest, że przez tysiące lat diamenty powoli zatapiają się w lodowych warstwach planety i łączą się w grubą warstwę wokół jej jądra.

WASP-76b

Na ilustracji: wizja artystyczna nocnego widoku egzoplanety WASP-76b. Po lewej stronie obrazu widzimy wieczorną granicę egzoplanety, gdzie dzień przechodzi w noc. ©ESO/M. Kornmesser

Na niektórych planetach poza-słonecznych (egzoplanetach) spodziewamy się za to opadów żelaza i kwarcu. Przykładem może być ultragorąca egzoplaneta WASP-76b, a na której astronomowie zaobserwowali kondensację żelaza. WASP-76b. Znajduje się ona 640 lat świetlnych od nas i jest tak blisko swojej gwiazdy, że wykonanie jednego obrotu zajmuje jej tylko 43 godziny. Dzienne temperatury na WASP-76b przekraczają 2400°C. Jest to temperatura wystarczająco wysoka, by odparowywać metale. Nocna strona planety jest natomiast o 1000 stopni chłodniejsza, co pozwala tym metalom na kondensację i deszcz.

WASP-76b została zbadana przez zespół Ehrenreicha i in (2020), którzy wykorzystali instrument Espresso na teleskopie VLT w Europejskim Obserwatorium Południowym ESO. Naukowcy wykryli silną sygnaturę par żelaza na granicy wieczornej, czyli terminatorze, na którym dzień na WASP-76b przechodzi w noc. Sygnał ten nie był jednak obecny na granicy porannej. Ehrenreich i in. sądzą, że żelazo kondensuje się po nocnej stronie, która choć wciąż gorąca (ma temperaturę 1400°C), jest zarazem na tyle zimna, że ​​żelazo może kondensować w postaci chmur, deszczu, prawdopodobnie w postaci kropelek. Kropelki te mogą opadać w głębsze warstwy atmosfery, do której Espresso nie ma dostępu.

W te badania i rozważania doskonale wpisuje się analiza wykonana przez Kaitlyn Loftus i Robina Wordswortha z Uniwersytetu Harvarda, MA, USA, w której autorzy badają fizykę zachowania kropel cieczy podczas spadania z chmur. Wykazali oni, że tylko krople o ograniczonym zakresie wielkości – promienie od około jednej dziesiątej milimetra do kilku milimetrów w – mogą dotrzeć do powierzchni planet skalistych w postaci deszczu. Jest to dość wąski zakres rozmiarów, biorąc pod uwagę, że krople deszczu zwiększają swoją objętość około milion razy podczas formowania się wewnątrz chmury. 

Loftus i Wordsworth pokazali również, że maksymalna wielkość kropel cieczy spadających podczas deszczu jest podobna w różnych warunkach planetarnych. Różne rodzaje kropel cieczy osiągają maksymalny rozmiar od połowy do sześciu razy większy od deszczu wody na Ziemi, w zależności od siły przyciągania grawitacyjnego planety (im silniejsze przyciąganie grawitacyjne, tym mniejsza kropla deszczu), jak można zobaczyć na poniższej ilustracji.

Krople deszczu na innych planetach

Autorzy najpierw określili możliwe zakresy rozmiarów kropli wody na skalistych planetach, takich jak Ziemia i Mars, wzięli pod uwagę warunki atmosferyczne takie jak temperatura, ciśnienie powietrza, wilgotność względna, odległość od chmury do powierzchni planety i siła jej przyciągania grawitacyjnego. Odkryli, że krople deszczu, które są zbyt duże, rozpadają się na mniejsze, natomiast krople zbyt małe odparowują, zanim uderzą o grunt. Następnie przyjrzeli się, jak krople deszczu spadałyby na znacznie większe planety, takie jak Jowisz i Saturn, które mają bardzo różne atmosfery. Po porównaniu współczesnej Ziemi, starożytnego Marsa i znacznie większe planety, odkryli, że krople deszczu w podobny sposób przenoszą ciecz przez atmosferę chociaż to, co stanowi atmosfery, różni się znacznie między planetami. Nie jest pewne, dlaczego maksymalny rozmiar kropli deszczu jest tak uniwersalny. Naukowcy podejrzewają, że ​​może to wynikać z tego, jak napięcie powierzchniowe kropli ma się do jej gęstości.

Te odkrycia pomogą naukowcom lepiej symulować warunki panujące na innych planetach, ponieważ opady są kluczowym elementem cyklu klimatycznego i odżywczego planety. Modelowanie, jak mogą wyglądać opady na odległym świecie, może również pomóc naukowcom w interpretacji obserwacji egzoplanetarnych atmosfer dokonywanych przez teleskopy kosmiczne.


 
Więcej informacji:

 

Autor: Joanna Molenda-Żakowicz
 

Na ilustracji: Kropla deszczu. Źródło: Wikimedia Commons. ©José Manuel Suárez

Reklama