På Titan, Saturnus största måne, det regnar regelbundet. Som med jorden, dessa regn är resultatet av vätska som avdunstar på ytan, kondenserar i himlen, och faller tillbaka till ytan som nederbörd. På jorden, detta är känt som den hydrologiska (eller vatten) cykeln, som är en oumbärlig del av vårt klimat. I Titans fall, samma steg är alla där, men det är metan som byts ut och inte vatten.

På senare år har forskare har hittat bevis på liknande mönster som involverar exoplaneter, med allt från smält metall till lavaregn! Detta väcker frågan om hur exotiska regnet kan vara på främmande världar. Nyligen, ett team av forskare från Havard University genomförde en studie där de undersökte hur regn skulle skilja sig åt i en mångfald av extrasolära planetariska miljöer.

Denna forskning utfördes av Kaitlyn Loftus, en Ph.D. student från Harvard's Department of Earth and Planetary Sciences. Hennes handledande professor (och medförfattare till studien) var Robin D. Wordsworth, som leder Wordsworth Planetary Climate and Atmospheric Evolution Research Group vid Harvards School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).

Forskning om nederbörd och registreringar av tidigare nederbörd på jorden har lärt forskare mycket om klimatets dynamiska natur. Tyvärr, samma forskning är ännu inte möjlig med exoplaneter, vilket hindrar forskare från att kunna sätta hårdare begränsningar på deras potentiella beboelighet. Dock, kunskap om dessa förhållanden på jorden har hjälpt forskare att förutsäga planetariska klimat Mars, och Titan.

För deras studiers skull, Loftus och Wordsworth undersökte hur detta kunde tillämpas på exoplaneter också. Som Loftus förklarade för Universe Today via e-post:

"En nyckelkomponent för beboelighet är klimatet (för att testa om en planet kan bära flytande ytvatten). En viktig drivkraft för osäkerhet när det gäller att förstå klimatet i olika planetariska miljöer (även, säga, den nuvarande övergången av den moderna jorden till högre CO ₂ nivåer) är hur moln beter sig. Nederbörd är ett viktigt sätt för moln "dö, Så att förstå hur nederbörd fungerar kan hjälpa oss att begränsa molnbeteende och så småningom bättre förutsäga planetariskt klimat.

"Nerbörd hjälper dessutom till att kontrollera hur mycket vatten som stannar i en atmosfär. Eftersom vattenånga är en mycket bra växthusgas, denna balansering av hur mycket vatten som finns i en atmosfär kan också påverka klimatet... Slutligen, nederbörd är en viktig komponent i den negativa återkopplingsmekanismen för att stabilisera planetariska klimat (karbonat-silikatcykeln) som ligger till grund för konceptet med exoplaneten "beboelig zon".

Denna kunskap kommer att vara väsentlig, Loftus lade till, när nästa generations teleskop går med i sökandet efter potentiellt beboeliga exoplaneter. Under de kommande åren, astronomer och astrobiologer kommer att kunna utföra direkta avbildningsstudier av exoplanetatmosfärer. Att ha modeller på plats som förutsäger hur moln och vattenånga beter sig på dessa planeter kommer att gå långt för att mäta deras beboelighet.

Även om det är mycket svårt att förutsäga nederbördsmönstren för en avlägsen exoplanet, en komponent som lätt kan förstås är beteendet hos enskilda regndroppar. Med tanke på att varje regndroppe som faller från ett moln styrs av en kombination av vätskedynamik, termodynamik, och atmosfäriska förhållanden, deras studie kan avslöja mycket om en planets klimat.

Loftus och Prof. Wordsworth fortsatte med att visa hur tre nyckelegenskaper kunde beräknas utifrån tre nyckelegenskaper:deras form, deras fallande hastighet, och den hastighet med vilken de avdunstar. sa Loftus:

"Moln och nederbörd är mycket beroende av vad som händer på mycket små skalor (molndroppar/regndroppar ~mikron-millimeter), medelstora vågar (moln, kilometer-10s kilometer), och mycket stora skalor (vattenbudgetar i planetarisk skala). Att representera alla dessa skalor exakt i en enda modell är inte möjligt med moderna (eller överskådlig framtid) datorer."

"Vad vi försöker göra är att använda den enklaste och bäst förstådda komponenten i vattnets kretslopp - regndroppar under ett moln - för att begränsa det som är "viktigt" bland all komplexitet, " tillade hon. Viktigt är verkligen en subjektiv term, men i det här fallet, det innebär att spåra hur mycket atmosfärisk vattenånga som i slutändan kommer att bli vatten på ytan – ett nyckelkrav för existensen av liv som vi känner det.

Från dessa tre fastigheter, de kunde få ett enkelt uttryck för att förklara regndroppars beteende från mer komplicerade ekvationer. I sista hand, de fann att (över ett brett spektrum av planetariska förhållanden) var det bara regndroppar i ett relativt smalt storleksintervall som kunde nå ytan. Som Loftus antydde, deras forskning skulle kunna möjliggöra förbättrade representationer av nederbörd i komplexa klimatmodeller i framtiden:

"Just nu drivs mycket av det vi förstår om hur moln och nederbörd fungerar i ett större klimatsystem av vad vi ser (och har sett) på jorden. Men, detta lämnar en hel del osäkerhet i hur giltigt det är att överföra sådan empiri till regimer där många fysiska förutsättningar är olika.

"[S]o det finns många stora frågetecken kring alla icke-moderna geovetenskapliga frågor som beror på hur moln/nederbörd beter sig. Detta arbete försöker långsamt bygga upp kapaciteten att utveckla teoretiskt baserade förväntningar på hur moln och nederbörd borde bete sig utanför den moderna jorden och för att i slutändan sätta bättre begränsningar för de stora frågetecken."

Detta kommer att vara väldigt praktiskt när rymdteleskopet James Webb lanseras den 31 oktober, 2021. Genom att använda sin avancerade uppsättning infraröda instrument och spektrometrar, James Webb kommer att kunna studera atmosfären hos exoplaneter med mindre massa som kretsar närmare sina stjärnor – dvs. där potentiellt beboeliga stenplaneter är mest sannolikt att bo.

Dessa kommer att tillåta forskare att bestämma den kemiska sammansättningen av dessa planeters atmosfärer, som kan inkludera vattenånga och andra tydliga "biosignaturer". Andra teleskop, som ESO:s Extremely Large Telescope (ELT), Giant Magellan Telescope (GMT) och Nancy Grace Roman Space Telescope kommer att kunna utföra liknande direkta avbildningsstudier av exoplaneter.

Dessa instrument kommer att möjliggöra oöverträffade nivåer av exoplanetkarakterisering, vilket är något exoplanetstudier har övergått till de senaste åren. Med över 4000 bekräftade exoplaneter tillgängliga för studier, astronomer är inte längre uteslutande fokuserade på att hitta lovande kandidater för studier. Vid denna avgörande tidpunkt, det handlar om att ta reda på vilken av dessa kandidater som uppfyller kraven för livet!

Resultaten publicerades i en tidning, med titeln "Fysiken om fallande regndroppar i olika planetariska atmosfärer, " som nyligen dök upp online och skickades in för publicering till Journal of Geophysical Research:Planeter .