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Wie die Gesetze der Physik die Größe von außerirdischen Regentropfen einschränken


Ob aus Methan auf dem Saturnmond Titan oder aus Eisen auf dem Exoplaneten WASP 76b, fremde Regentropfen verhalten sich in der Milchstraße ähnlich. Sie haben immer die gleiche Größe, unabhängig von der Flüssigkeit, aus der sie bestehen oder in die sie fallen, gemäß dem ersten verallgemeinerten physikalischen Modell des außerirdischen Regens.

„Man kann aus vielen Dingen Regentropfen bekommen“, sagt die Planetenforscherin Kaitlyn Loftus von der Harvard University, die neue Gleichungen dafür veröffentlicht hat, was mit einem fallenden Regentropfen passiert, nachdem er im April eine Wolke verlassen hat Zeitschrift für geophysikalische Forschung: Planeten. Frühere Studien haben sich mit Regen in bestimmten Fällen befasst, wie dem Wasserkreislauf auf der Erde oder Methanregen auf dem Saturnmond Titan (SN: 3/12/15). Aber dies ist die erste Studie, die Regen aus einer beliebigen Flüssigkeit betrachtet.

„Sie schlagen etwas vor, das auf jeden Planeten angewendet werden kann“, sagt der Astronom Tristan Guillot vom Observatorium der Côte d’Azur in Nizza, Frankreich. „Das ist wirklich cool, denn das ist etwas, das man wirklich braucht, um zu verstehen, was in den Atmosphären anderer Welten vor sich geht.

Zu verstehen, wie sich Wolken und Niederschlag bilden, ist wichtig, um das Klima einer anderen Welt zu erfassen. Wolkendecke kann die Oberfläche eines Planeten entweder erwärmen oder kühlen, und Regentropfen helfen dabei, chemische Elemente und Energie durch die Atmosphäre zu transportieren.

Wolken sind kompliziert (SN: 3/5/21). Trotz vieler Daten über irdische Wolken verstehen Wissenschaftler nicht wirklich, wie sie wachsen und sich entwickeln.

Regentropfen unterliegen jedoch einigen einfachen physikalischen Gesetzen. Herabfallende Flüssigkeitströpfchen neigen dazu, unabhängig von den Eigenschaften der Flüssigkeit, ähnliche Formen anzunehmen. Die Geschwindigkeit, mit der dieser Tropfen verdampft, wird durch seine Oberfläche bestimmt.

„Das ist im Wesentlichen Strömungsmechanik und Thermodynamik, die wir sehr gut verstehen“, sagt Loftus.

Sie und der Harvard-Planetenwissenschaftler Robin Wordsworth betrachteten Regen in verschiedenen Formen, darunter Wasser auf der frühen Erde, den alten Mars und einen gasförmigen Exoplaneten namens K2 18b, der Wasserdampfwolken beherbergen könnte (SN: 11.09.19). Das Paar betrachtete auch den Methanregen von Titan, Ammoniak-„Pilzbällchen“ auf Jupiter und Eisenregen auf dem ultraheißen Gasriesen-Exoplaneten WASP 76b (SN: 3/11/20). „All diese verschiedenen kondensierbaren Stoffe verhalten sich ähnlich, [because] sie unterliegen ähnlichen Gleichungen“, sagt sie.

Das Team fand heraus, dass Welten mit höherer Schwerkraft dazu neigen, kleinere Regentropfen zu produzieren. Dennoch fallen alle untersuchten Regentropfen in einen ziemlich engen Größenbereich, von etwa einem Zehntel Millimeter bis zu einigen Millimetern im Radius. Viel größer als das, und Regentropfen brechen beim Fallen auseinander, fanden Loftus und Wordsworth heraus. Viel kleiner, und sie verdunsten, bevor sie den Boden treffen (bei Planeten mit fester Oberfläche) und halten ihre Feuchtigkeit in der Atmosphäre.

Irgendwann möchten die Forscher die Studie auf feste Niederschläge wie Schneeflocken und Hagel ausweiten, obwohl die Mathematik dort komplizierter wird. „Das Sprichwort, dass jede Schneeflocke einzigartig ist, ist wahr“, sagt Loftus.

Die Arbeit sei ein erster Schritt, um Niederschlag im Allgemeinen zu verstehen, sagt der Astronom Björn Benneke von der Universität Montreal, der Wasserdampf in der Atmosphäre von K2 18b entdeckte, aber nicht an der neuen Studie beteiligt war. „Das ist es, was wir alle anstreben“, sagt er. „Eine Art globales Verständnis dafür zu entwickeln, wie Atmosphären und Planeten funktionieren, und nicht nur vollständig erdzentriert zu sein.“

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