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翻译：陈一萱
校对：牧夫天文校对组
后期：库特莉亚芙卡 李子琦 徐⑨坤 胡永葳
责任编辑：毛明远
土卫六是土星最大的一颗卫星，而下雨对它来说可谓是家常便饭。与地球上的水循环相似，土卫六表面的液体蒸发并在大气中凝结，而当这些液体以降水的形式落回地面时，就形成了土卫六上的“雨”。不同的是，地球上循环的是水，而土卫六上则是甲烷。
不仅仅是太阳系中的土卫六，近年来，科学家们也在众多系外行星上发现了降雨的痕迹——从融化的金属雨到熔岩雨，应有尽有！这就在科学界引出了这样的一个问题：外星世界的雨到底能有多“因地而异”？
来自哈佛大学的一组研究人员就此问题展开了一项研究，目的就是为了探究在不同的系外行星环境中，降雨会有什么不同。这项研究是由哈佛大学地球和行星科学系博士生凯特琳·洛夫特斯（Kaitlyn Loftus）主导的。她的指导教授（同时也是该研究的合著者）是罗宾·D·华兹华斯（Robin D. Wordsworth），这名教授同时也是哈佛大学工程与应用科学学院(SEAS)“华兹华斯行星气候和大气演化研究小组”（Wordsworth Planetary Climate and Atmospheric Evolution Research Group）的负责人。
如图，土耳其萨尔达湖海岸线上，岩石是在水中的微生物捕获矿物质和沉淀物的过程中形成的。
Credit: NASA/JPL-Caltech
在地球上，气候的动力机制通过研究降水记录便足以让科学家们充分了解。然而，由于对系外行星进行同样详细的研究是目前达不到的，这极大地限制了科学家们对系外行星及其卫星宜居性的了解。但好消息是，通过研究地球上宜居条件，科学家们或许能够预测火星和土卫六的宜居性及气候。
洛夫特斯和华兹华斯教授研究了如何将这一（宜居）理论应用于系外行星。正如洛夫特斯通过电子邮件向今日宇宙（Universe Today）解释的那样：
“（行星及其卫星）宜居性的一个关键因素是气候（从而判断一颗行星是否有液态水存在)。在探究不同行星环境的气候时，一个主要的不确定性因素是云层的状态。由于降水是云“死亡”的关键原因，所以理解降水，我们就可以控制云的状态，并最终更好地预测行星气候。降水还有助于我们控制大气湿度。由于水蒸气是一种很好的温室气体，大气中水分含量的平衡也会影响气候……最后，降雨是稳定行星气候（碳酸盐-硅酸盐循环）的负反馈机制的一个重要组成部分，而这也是系外行星‘宜居带’概念的基础。”
图中是开普勒62f系外行星。为了使液态水存在，此行星需要富含二氧化碳的大气层。
艺术家插图:NASA Ames/JPL-Caltech/T.Pyle
“当下一代更先进的望远镜也加入寻找潜在的宜居系外行星的行列时，这些知识将至关重要。在未来的几年里，天文学家和天体生物学家将能够对系外行星的大气层进行直接成像研究。然而即使可以建立模型来预测云层和水蒸气的状态，科学家们在寻找潜在宜居系外行星的道路上还有很长的路要走。”
虽然系外行星如此遥远，预测其整体降水模式非常困难，但理解其中的一小部分，特别是单个“雨滴”的行为还是相对现实的。考虑到从云中落下的每一滴雨滴都受到流体动力学、热力学和大气条件的综合影响，针对他们的研究可以揭示很多关于行星气候的信息。
洛夫特斯和华兹华斯教授继续解释了如何根据“雨滴”的形状、下落速度和蒸发速度来计算它们的三个关键特性。
洛夫特斯介绍: “云的状态和降水的情况取决于在小尺度(云滴/雨滴：微米-毫米)、中等尺度(云：千米-10千米)和大尺度(行星尺度的水平衡)发生的事情。但目前来讲（以及可预见的未来之内），计算机是难以用单独一个模型准确地模拟所有尺度。”
此图为系外行星HR8799e的艺术想象图。欧南台的VLT甚大望远镜首次对这颗行星及其大气进行了直接光学观测。
艺术家插图:NASA Ames/JPL-Caltech/T.Pyle
“我们试图做的是利用水循环中最简单、最容易理解的组成部分——云朵下每一滴‘雨滴’——来限制所有复杂因素中‘重要’的因素。”“重要”一词当然是一个主观的术语，但在这种情况下，它指的是追踪有多少大气中的水蒸气会变成地表水。而这正如我们所知，这是生命存在的关键条件。
通过分析“雨滴”的这三个性质，科学家们能够从一个复杂的系外行星气候问题中得到一个相对简单的“解”。最终，科学家们发现在大部分的行星环境中，只有尺寸相对较小的雨滴才能成功到达地表。正如洛夫特斯所指出的，他们的研究可以帮助未来的复杂气候模型更好地模拟雨滴的行为：
“目前，我们对云层和降水行为在庞大气候系统中的预测及了解，大部分都参照的是地球上这些事物是如何发生的。然而，对于如何有效地把这些“经验结论”顺滑地转移到很多客观条件都不同的系外行星，还是有很多不确定性。”
“在所有取决于云层及降水行为方式的非现代地球科学问题中，很多还悬而未解。在此领域的研究中，科学家们正试图逐步加强基于理论预测的能力，从而预测及解释系外行星云层和降水的表现。”
这幅艺术家构想图展示的是NASA的詹姆斯·韦伯望远镜。它将提供更多关于之前探测到的系外行星的信息。到2020年后，更多的下一代太空望远镜的建造将建立在它的发现之上。
Credit: NASA
这将使科学家们能够确定行星大气的化学成分，其中可能包括水蒸气和其他能说明问题的“生物特征”。其他望远镜，如欧南台的ELT极大望远镜、巨型麦哲伦望远镜(GMT)和南希·格蕾丝·罗曼太空望远镜(Nancy Grace Roman Space Telescope)将能够对系外行星进行类似的直接成像研究。
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