على تيتان ، أكبر أقمار زحل ، تمطر بشكل منتظم. كما هو الحال مع الأرض ، فإن هذه الأمطار ناتجة عن تبخر السائل على السطح ، والتكثف في السماء ، والعودة إلى السطح على شكل ترسيب. يُعرف هذا على الأرض بالدورة الهيدرولوجية (أو المائية) ، وهي جزء لا غنى عنه من مناخنا. في حالة تيتان ، نفس الخطوات موجودة كلها ، لكن الميثان هو الذي يتم تبادله وليس الماء.
في السنوات الأخيرة ، وجد العلماء أدلة على أنماط مماثلة تشمل الكواكب الخارجية ، مع كل شيء من المعدن المنصهر إلى أمطار الحمم البركانية! يثير هذا السؤال حول مدى غرابة الأمطار في العوالم الفضائية. مؤخرا قام فريق من الباحثين من جامعة هافارد أجرى دراسة حيث بحثوا في كيفية اختلاف المطر في مجموعة متنوعة من بيئات الكواكب خارج المجموعة الشمسية.
تم إجراء هذا البحث من قبل كايتلين لوفتوس ، شهادة دكتوراه. طالب من جامعة هارفارد قسم علوم الأرض والكواكب . كان أستاذها المشرف (والمؤلف المشارك في الدراسة) هو Robin D. مجموعة وردزورث لأبحاث المناخ الكوكبي وتطور الغلاف الجوي في جامعة هارفارد كلية الهندسة والعلوم التطبيقية (البحار).
تشكلت الصخور التي نراها هنا على طول الخط الساحلي لبحيرة سالدا في تركيا بمرور الوقت بواسطة الميكروبات التي تحبس المعادن والرواسب في الماء. الائتمان: NASA / JPL-Caltech
علمت الأبحاث في هطول الأمطار وسجلات هطول الأمطار الماضية على الأرض العلماء قدرًا كبيرًا عن الطبيعة الديناميكية لمناخها. لسوء الحظ ، هذا البحث نفسه ليس ممكنًا بعد مع الكواكب الخارجية ، مما يمنع العلماء من أن يكونوا قادرين على فرض قيود أكثر صرامة على قابليتها للحياة المحتملة. ومع ذلك ، فإن معرفة هذه الظروف على الأرض ساعد العلماء على التنبؤ بمناخ كوكب المريخ وتيتان.
من أجل دراستهم ، فحص لوفتوس ووردزورث كيف يمكن تطبيق ذلك على الكواكب الخارجية أيضًا. كما أوضحت Loftus لـ Universe Today عبر البريد الإلكتروني:
'يعتبر المناخ أحد المكونات الرئيسية لصلاحية السكن (لاختبار ما إذا كان الكوكب يمكنه دعم المياه السطحية السائلة). الدافع الرئيسي لعدم اليقين في فهم المناخ في بيئات الكواكب المختلفة (حتى ، على سبيل المثال ، الانتقال الحالي للأرض الحديثة إلى مستويات أعلى من ثاني أكسيد الكربون) هو كيف تتصرف الغيوم. يعتبر هطول الأمطار من الطرق الرئيسية التي 'تموت' بها الغيوم ، لذا فإن فهم كيفية عمل هطول الأمطار يمكن أن يساعدنا في تقييد السلوكيات السحابية والتنبؤ بشكل أفضل بمناخ الكوكب في نهاية المطاف.
'يساعد الهطول أيضًا في التحكم في كمية الماء المتبقية في الغلاف الجوي. نظرًا لأن بخار الماء من الغازات الدفيئة الجيدة جدًا ، فإن هذا التوازن لمقدار الماء في الغلاف الجوي يمكن أن يؤثر أيضًا على المناخ...أخيرًا ، يعتبر هطول الأمطار مكونًا أساسيًا من آلية التغذية المرتدة السلبية لتحقيق الاستقرار في مناخات الكواكب (دورة الكربونات والسيليكات) التي تكمن وراء مفهوم 'المنطقة الصالحة للسكن' الخاصة بالكواكب الخارجية.
سيحتاج كوكب خارج المجموعة الشمسية Kepler 62f إلى غلاف جوي غني بثاني أكسيد الكربون ليكون الماء في صورة سائلة. رسم توضيحي للفنان: NASA Ames / JPL-Caltech / T. بايل
أضاف لوفتوس أن هذه المعرفة ستكون ضرورية عندما تنضم تلسكوبات الجيل التالي إلى البحث عن الكواكب الخارجية التي يحتمل أن تكون صالحة للسكن. في السنوات القادمة ، سيتمكن علماء الفلك وعلماء الأحياء الفلكية من إجراء دراسات تصوير مباشرة للأغلفة الجوية للكواكب الخارجية. إن وجود نماذج تتنبأ بكيفية تصرف السحب وبخار الماء على هذه الكواكب سيقطع شوطًا طويلاً نحو قياس قابليتها للحياة.
في حين أن التنبؤ بأنماط هطول الأمطار لكوكب خارجي بعيد أمر صعب للغاية ، فإن أحد المكونات التي يمكن فهمها بسهولة هو سلوك قطرات المطر الفردية. بالنظر إلى أن كل قطرة مطر تسقط من سحابة تحكمها مجموعة من ديناميكيات السوائل والديناميكا الحرارية وظروف الغلاف الجوي ، يمكن أن تكشف دراستهم الكثير عن مناخ الكوكب.
شرع لوفتوس والبروفيسور وردزورث في إظهار كيف يمكن حساب ثلاث خصائص رئيسية بناءً على ثلاث خصائص رئيسية: شكلها ، وسرعتها السقوطية ، والسرعة التي تتبخر بها. سعيد لوفتوس:
'تعتمد الغيوم وهطول الأمطار اعتمادًا كبيرًا على ما يحدث في المقاييس الصغيرة جدًا (قطرات السحب / قطرات المطر ~ ميكرون - ملليمتر) ، المقاييس المتوسطة الحجم (السحب ، كيلومترات - 10 كيلومترات) ، والمقاييس الكبيرة جدًا (ميزانيات المياه على نطاق كوكب الأرض) . إن تمثيل كل هذه المقاييس بدقة في نموذج واحد لا يمكن تتبعه باستخدام أجهزة الكمبيوتر الحديثة (أو المستقبلية) '.
رسم توضيحي لفنان لكوكب خارج المجموعة الشمسية HR8799e. جعلت أداة GRAVITY التابعة لـ ESO على مقياس التداخل التلسكوب الكبير جدًا أول مراقبة بصرية مباشرة لهذا الكوكب وغلافه الجوي. حقوق الصورة: ESO / L. كالسادا
وأضافت: 'ما نحاول القيام به هو استخدام المكون الأبسط والأفضل فهمًا لدورة المياه - قطرات المطر تحت السحابة - لتقييد ما هو' مهم 'بين كل التعقيدات'. من المؤكد أن مصطلحًا مهمًا هو مصطلح شخصي ، ولكن في هذه الحالة ، يستلزم تتبع مقدار بخار الماء في الغلاف الجوي الذي سيتحول إلى ماء على السطح - وهو مطلب رئيسي لوجود الحياة كما نعرفها.
من هذه الخصائص الثلاثة ، تمكنوا من الحصول على تعبير بسيط لشرح سلوك قطرات المطر من معادلات أكثر تعقيدًا. في النهاية ، وجدوا أنه (عبر مجموعة واسعة من الظروف الكوكبية) كانت قطرات المطر في نطاق ضيق نسبيًا يمكن أن تصل إلى السطح. كما أشارت لوفتوس ، يمكن أن تسمح أبحاثهم بتحسين تمثيل هطول الأمطار في النماذج المناخية المعقدة في المستقبل:
'في الوقت الحالي ، الكثير مما نفهمه حول كيفية عمل السحب وهطول الأمطار في نظام مناخي أكبر مدفوع بما نراه (وشاهدناه) على الأرض. ومع ذلك ، فإن هذا يترك الكثير من عدم اليقين بشأن مدى صحة نقل مثل هذه التجارب إلى أنظمة حيث العديد من الظروف المادية مختلفة.
'[S] o هناك الكثير من علامات الاستفهام الكبيرة التي تحيط بأي أسئلة غير حديثة في علوم الأرض والتي تعتمد على كيفية تصرف السحب / هطول الأمطار. يحاول هذا العمل بناء القدرة ببطء على تطوير التوقعات المستندة إلى النظرية حول كيفية تصرف السحب وهطول الأمطار خارج الأرض الحديثة ووضع قيود أفضل في النهاية على علامات الاستفهام الكبيرة هذه. '
سيوفر تلسكوب جيمس ويب التابع لناسا ، الموضح في تصور هذا الفنان ، مزيدًا من المعلومات حول الكواكب الخارجية المكتشفة سابقًا. بعد عام 2020 ، من المتوقع أن تبني العديد من التلسكوبات الفضائية من الجيل التالي على ما تكتشفه. الائتمان: ناسا
سيكون هذا مفيدًا جدًا عندما يكون ملف تلسكوب جيمس ويب الفضائي تم إطلاقه في 31 أكتوبرشارع، 2021. باستخدام مجموعتها المتطورة من أدوات الأشعة تحت الحمراء ومقاييس الطيف ، فإنجيمس ويبستكون قادرًا على دراسة الغلاف الجوي للكواكب الخارجية الأصغر حجمًا والتي تدور حول نجومها بشكل أقرب - أي حيث من المرجح أن توجد الكواكب الصخرية الصالحة للسكن.
سيسمح ذلك للعلماء بتحديد التركيب الكيميائي للأغلفة الجوية لهذه الكواكب ، والتي قد تشمل بخار الماء و 'البصمات الحيوية' الأخرى. تلسكوبات أخرى ، مثل ESO تلسكوب كبير للغاية (ELT) ، و تلسكوب ماجلان العملاق (GMT) و تلسكوب نانسي جريس الروماني الفضائي سيكون قادرًا على إجراء دراسات تصوير مباشرة مماثلة للكواكب الخارجية.
ستسمح هذه الأدوات بمستويات غير مسبوقة من توصيف الكواكب الخارجية ، وهو أمر تنتقل إليه دراسات الكواكب الخارجية في السنوات الأخيرة. مع وجود أكثر من 4000 من الكواكب الخارجية المؤكدة المتاحة للدراسة ، لم يعد علماء الفلك يركزون حصريًا على إيجاد مرشحين واعدين للدراسة. في هذا المنعطف ، يتعلق الأمر باكتشاف أي من هؤلاء المرشحين يلبي متطلبات الحياة!
نُشرت النتائج في ورقة بحثية بعنوان ' فيزياء سقوط قطرات المطر في أجواء كوكبية متنوعة ، 'التي ظهرت مؤخرًا على الإنترنت وتم تقديمها للنشر إلى مجلة البحوث الجيوفيزيائية: الكواكب .
قراءة متعمقة: arXiv
التسمية التوضيحية للصورة الرئيسية:انطباع الفنان عن غروب الشمس من سطح كوكب خارجي يشبه الأرض. الائتمان: ESO / L. كالسادا