su Titano, La luna più grande di Saturno, piove regolarmente. Come con la Terra, queste piogge sono il risultato dell'evaporazione del liquido in superficie, condensando nei cieli, e ricadono in superficie come precipitazioni. Sulla terra, questo è noto come ciclo idrologico (o dell'acqua), che è una parte indispensabile del nostro clima. Nel caso di Titano, ci sono tutti gli stessi passaggi, ma è il metano che viene scambiato e non l'acqua.

Negli ultimi anni, gli scienziati hanno trovato prove di modelli simili che coinvolgono esopianeti, con tutto, dal metallo fuso alla pioggia di lava! Ciò solleva la questione di quanto possano essere esotiche le piogge sui mondi alieni. Recentemente, un team di ricercatori della Havard University ha condotto uno studio in cui ha studiato come la pioggia sarebbe stata diversa in una vasta gamma di ambienti planetari extrasolari.

Questa ricerca è stata condotta da Kaitlyn Loftus, un dottorato di ricerca studente del Dipartimento di Scienze della Terra e Planetarie di Harvard. Il suo professore supervisore (e coautore dello studio) era Robin D. Wordsworth, che guida il Wordsworth Planetary Climate and Atmospheric Evolution Research Group presso la School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) di Harvard.

La ricerca sulle precipitazioni e le registrazioni delle precipitazioni passate sulla Terra hanno insegnato molto agli scienziati sulla natura dinamica del suo clima. Sfortunatamente, questa stessa ricerca non è ancora possibile con gli esopianeti, che impedisce agli scienziati di poter porre vincoli più severi alla loro potenziale abitabilità. Però, la conoscenza di queste condizioni sulla Terra ha aiutato gli scienziati a prevedere i climi planetari Marte, e Titano.

Per il loro studio, Loftus e Wordsworth hanno esaminato come questo potrebbe essere applicato anche agli esopianeti. Come ha spiegato Loftus a Universe Today via e-mail:

"Una componente chiave dell'abitabilità è il clima (per verificare se un pianeta può supportare l'acqua di superficie liquida). Un importante fattore di incertezza nella comprensione del clima in diversi ambienti planetari (anche, dire, l'attuale transizione della Terra moderna verso una CO . più elevata ₂ livelli) è come si comportano le nuvole. Le precipitazioni sono il modo chiave in cui le nuvole "muoiono, " quindi capire come funzionano le precipitazioni può aiutarci a limitare i comportamenti delle nuvole e alla fine a prevedere meglio il clima planetario.

"Le precipitazioni aiutano inoltre a controllare la quantità di acqua che rimane nell'atmosfera. Poiché il vapore acqueo è un ottimo gas serra, questo bilanciamento di quanta acqua c'è in un'atmosfera può anche avere un impatto sul clima... Infine, la pioggia è una componente essenziale del meccanismo di feedback negativo per stabilizzare i climi planetari (il ciclo carbonato-silicato) che è alla base del concetto di "zona abitabile" dell'esopianeta.

Questa conoscenza sarà essenziale, Loftus ha aggiunto, quando i telescopi di nuova generazione si uniscono alla ricerca di esopianeti potenzialmente abitabili. Negli anni a venire, astronomi e astrobiologi saranno in grado di condurre studi di imaging diretto delle atmosfere degli esopianeti. Avere modelli in atto che predicono come si comportano le nuvole e il vapore acqueo su questi pianeti farà molto per misurare la loro abitabilità.

Sebbene prevedere i modelli di precipitazione di un esopianeta distante sia estremamente difficile, un componente che può essere facilmente compreso è il comportamento delle singole gocce di pioggia. Dato che ogni goccia di pioggia che cade da una nuvola è governata da una combinazione di fluidodinamica, termodinamica, e condizioni atmosferiche, il loro studio può rivelare molto sul clima di un pianeta.

Loftus e il Prof. Wordsworth hanno continuato a mostrare come tre proprietà chiave potrebbero essere calcolate sulla base di tre proprietà chiave:la loro forma, la loro velocità di caduta, e la velocità con cui evaporano. Ha detto Loftus:

"Le nuvole e le precipitazioni dipendono molto da ciò che accade su scale di dimensioni molto piccole (gocce di nuvole/gocce di pioggia ~micron-millimetri), scale di medie dimensioni (nuvole, chilometri-10s chilometri), e scale molto grandi (bilanci idrici su scala planetaria). Rappresentare accuratamente tutte queste scale in un singolo modello non è gestibile con i computer moderni (o futuri prevedibili)".

"Quello che stiamo cercando di fare è utilizzare il componente più semplice e meglio compreso del ciclo dell'acqua, le gocce di pioggia sotto una nuvola, per limitare ciò che è "importante" tra tutta la complessità, " aggiunse. Importante è certamente un termine soggettivo, ma in questo caso, implica tenere traccia della quantità di vapore acqueo atmosferico che alla fine diventerà acqua in superficie, un requisito chiave per l'esistenza della vita come la conosciamo.

Da queste tre proprietà, sono stati in grado di ottenere una semplice espressione per spiegare il comportamento delle gocce di pioggia da equazioni più complicate. In definitiva, hanno scoperto che (in un'ampia gamma di condizioni planetarie) erano solo le gocce di pioggia in un intervallo di dimensioni relativamente ristretto che potevano raggiungere la superficie. Come indicato da Loftus, la loro ricerca potrebbe consentire una migliore rappresentazione delle precipitazioni in modelli climatici complessi in futuro:

"In questo momento molto di ciò che capiamo su come funzionano le nuvole e le precipitazioni in un sistema climatico più ampio è guidato da ciò che vediamo (e abbiamo visto) sulla Terra. Tuttavia, questo lascia molta incertezza su quanto sia valido trasferire tali empirismi a regimi in cui molte condizioni fisiche sono diverse.

"[S]o ci sono molti grandi punti interrogativi che circondano qualsiasi domanda non moderna di scienze della Terra che dipendono da come si comportano le nuvole/precipitazioni. Questo lavoro sta cercando di costruire lentamente la capacità di sviluppare aspettative basate sulla teoria su come le nuvole e le precipitazioni dovrebbero comportarsi al di fuori della Terra moderna e, in definitiva, porre vincoli migliori a quei grandi punti interrogativi".

Questo sarà molto utile quando il James Webb Space Telescope sarà lanciato il 31 ottobre, 2021. Utilizzando la sua suite avanzata di strumenti e spettrometri a infrarossi, il James Webb sarà in grado di studiare le atmosfere di esopianeti di massa più piccola che orbitano più vicino alle loro stelle, cioè, dove è più probabile che risiedano pianeti rocciosi potenzialmente abitabili.

Questi permetteranno agli scienziati di determinare la composizione chimica delle atmosfere di questi pianeti, che possono includere vapore acqueo e altre "firme biologiche" rivelatrici. Altri telescopi, come l'Extremely Large Telescope (ELT) dell'ESO, il Giant Magellan Telescope (GMT) e il Nancy Grace Roman Space Telescope saranno in grado di condurre simili studi di imaging diretto di esopianeti.

Questi strumenti consentiranno livelli senza precedenti di caratterizzazione degli esopianeti, che è qualcosa in cui gli studi sugli esopianeti sono passati negli ultimi anni. Con oltre 4000 esopianeti confermati disponibili per lo studio, gli astronomi non sono più concentrati esclusivamente sulla ricerca di candidati promettenti per lo studio. In questo frangente, si tratta di capire quale di questi candidati soddisfa i requisiti per la vita!

I risultati sono stati pubblicati in un documento, intitolato "La fisica delle gocce di pioggia che cadono in diverse atmosfere planetarie, " che recentemente è apparso online ed è stato inviato per la pubblicazione al Journal of Geophysical Research:Planets .