Op Titaan, De grootste maan van Saturnus, het regent regelmatig. Net als bij de aarde, deze regens zijn het gevolg van verdamping van vloeistof aan het oppervlak, condenserend in de lucht, en als neerslag naar de oppervlakte terugvallen. Op aarde, dit staat bekend als de hydrologische (of water) cyclus, dat een onmisbaar onderdeel is van ons klimaat. In het geval van Titan, dezelfde stappen zijn er allemaal, maar het is methaan dat wordt uitgewisseld en geen water.

In recente jaren, wetenschappers hebben bewijs gevonden voor vergelijkbare patronen met exoplaneten, met alles van gesmolten metaal tot lavaregen! Dit roept de vraag op hoe exotisch de regens op buitenaardse werelden kunnen zijn. Onlangs, een team van onderzoekers van Havard University voerde een onderzoek uit waarin ze onderzochten hoe regen zou verschillen in een divers scala aan extrasolaire planetaire omgevingen.

Dit onderzoek is uitgevoerd door Kaitlyn Loftus, een doctoraat student van Harvard's Department of Earth and Planetary Sciences. Haar begeleidende professor (en co-auteur van de studie) was Robin D. Wordsworth, die de Wordsworth Planetary Climate and Atmospheric Evolution Research Group leidt aan de Harvard's School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).

Onderzoek naar neerslag en registraties van eerdere regenval op aarde heeft wetenschappers veel geleerd over de dynamische aard van het klimaat. Helaas, ditzelfde onderzoek is nog niet mogelijk met exoplaneten, die verhindert dat wetenschappers strengere beperkingen kunnen stellen aan hun potentiële bewoonbaarheid. Echter, kennis van deze omstandigheden op aarde heeft wetenschappers geholpen om planetaire klimaten Mars te voorspellen, en Titaan.

Ter wille van hun studie, Loftus en Wordsworth onderzochten hoe dit ook op exoplaneten kan worden toegepast. Zoals Loftus via e-mail aan Universe Today heeft uitgelegd:

"Een belangrijk onderdeel van bewoonbaarheid is het klimaat (om te testen of een planeet vloeibaar oppervlaktewater kan ondersteunen). Een belangrijke oorzaak van onzekerheid bij het begrijpen van het klimaat in verschillende planetaire omgevingen (zelfs, zeggen, de huidige overgang van de moderne aarde naar een hogere CO ₂ niveaus) is hoe wolken zich gedragen. Neerslag is een belangrijke manier waarop wolken "sterven, Dus als we begrijpen hoe neerslag werkt, kunnen we het gedrag van wolken beperken en uiteindelijk het klimaat op aarde beter voorspellen.

"Precipitatie helpt bovendien om te bepalen hoeveel water er in een atmosfeer blijft. Omdat waterdamp een zeer goed broeikasgas is, deze afweging van hoeveel water er in een atmosfeer is, kan ook van invloed zijn op het klimaat... Tot slot, regenval is een essentieel onderdeel van het negatieve feedbackmechanisme om planetaire klimaten (de carbonaat-silicaatcyclus) te stabiliseren die ten grondslag liggen aan het concept van de exoplaneet "bewoonbare zone".

Deze kennis zal essentieel zijn, Loftus heeft toegevoegd, wanneer telescopen van de volgende generatie zich aansluiten bij de zoektocht naar mogelijk bewoonbare exoplaneten. In de komende jaren, astronomen en astrobiologen zullen directe beeldvormingsstudies van exoplaneetatmosferen kunnen uitvoeren. Het hebben van modellen die voorspellen hoe wolken en waterdamp zich op deze planeten gedragen, zal een grote bijdrage leveren aan het meten van hun bewoonbaarheid.

Hoewel het zeer moeilijk is om de neerslagpatronen van een verre exoplaneet te voorspellen, een component die gemakkelijk kan worden begrepen, is het gedrag van individuele regendruppels. Aangezien elke regendruppel die uit een wolk valt wordt bepaald door een combinatie van vloeistofdynamica, thermodynamica, en atmosferische omstandigheden, hun studie kan veel onthullen over het klimaat van een planeet.

Loftus en Prof. Wordsworth lieten zien hoe drie belangrijke eigenschappen konden worden berekend op basis van drie belangrijke eigenschappen:hun vorm, hun dalende snelheid, en de snelheid waarmee ze verdampen. Zei Loftus:

"Wolken en neerslag zijn erg afhankelijk van wat er gebeurt op zeer kleine schaal (wolkdruppels/regendruppels ~ micron-millimeter), middelgrote schalen (wolken, kilometer-10s kilometer), en zeer grote schalen (waterbudgetten op planetaire schaal). Al deze schalen nauwkeurig weergeven in een enkel model is niet haalbaar met moderne (of in de nabije toekomst) computers."

"Wat we proberen te doen, is de eenvoudigste en best begrepen component van de watercyclus - regendruppels onder een wolk - gebruiken om te beperken wat 'belangrijk' is tussen alle complexiteit, " voegde ze eraan toe. Belangrijk is zeker een subjectieve term, maar in dit geval het houdt in dat wordt bijgehouden hoeveel atmosferische waterdamp uiteindelijk water aan het oppervlak zal worden - een essentiële vereiste voor het bestaan ​​van het leven zoals wij dat kennen.

Van deze drie woningen ze waren in staat om een ​​eenvoudige uitdrukking te verkrijgen om het gedrag van regendruppels te verklaren uit meer gecompliceerde vergelijkingen. uiteindelijk, ze ontdekten dat (over een breed scala van planetaire omstandigheden) het alleen regendruppels in een relatief smal bereik waren die het oppervlak konden bereiken. Zoals Loftus aangaf, hun onderzoek kan in de toekomst betere weergaven van regenval in complexe klimaatmodellen mogelijk maken:

"Op dit moment wordt veel van wat we begrijpen over hoe wolken en neerslag werken in een groter klimaatsysteem bepaald door wat we op aarde zien (en hebben gezien). dit laat veel onzekerheid over hoe geldig het is om dergelijke empirismen over te hevelen naar regimes waar veel fysieke omstandigheden verschillend zijn.

"Er zijn veel grote vraagtekens rond alle niet-moderne aardwetenschappelijke vragen die afhankelijk zijn van hoe wolken/neerslag zich gedragen. Dit werk probeert langzaam de capaciteit op te bouwen om theoretisch gebaseerde verwachtingen te ontwikkelen over hoe wolken en neerslag zou zich buiten de moderne aarde moeten gedragen en uiteindelijk die grote vraagtekens beter moeten beperken."

Dit zal erg handig zijn wanneer de James Webb Space Telescope op 31 oktober gelanceerd wordt, 2021. Met behulp van zijn geavanceerde reeks infraroodinstrumenten en spectrometers, de James Webb zal in staat zijn om de atmosferen te bestuderen van exoplaneten met een kleinere massa die dichter bij hun sterren cirkelen, d.w.z. waar potentieel bewoonbare rotsachtige planeten het meest waarschijnlijk verblijven.

Hiermee kunnen wetenschappers de chemische samenstelling van de atmosfeer van deze planeten bepalen, die waterdamp en andere veelbetekenende "biosignaturen" kunnen bevatten. andere telescopen, zoals de Extreem Grote Telescoop (ELT) van ESO, de Giant Magellan Telescope (GMT) en de Nancy Grace Roman Space Telescope zullen soortgelijke directe beeldvormingsstudies van exoplaneten kunnen uitvoeren.

Deze instrumenten zullen ongekende niveaus van karakterisering van exoplaneten mogelijk maken, dat is iets waar exoplaneetstudies de afgelopen jaren naar zijn overgegaan. Met meer dan 4000 bevestigde exoplaneten beschikbaar voor studie, astronomen zijn niet langer uitsluitend gericht op het vinden van veelbelovende kandidaten voor studie. Op dit moment, het gaat erom uit te zoeken welke van deze kandidaten voldoet aan de eisen voor het leven!

De resultaten zijn gepubliceerd in een paper, getiteld "De fysica van vallende regendruppels in diverse planetaire sferen, " dat onlangs online verscheen en voor publicatie werd ingediend bij de Journal of Geophysical Research:Planeten .