En titán La luna más grande de Saturno, llueve regularmente. Al igual que con la Tierra, estas lluvias son el resultado de la evaporación del líquido en la superficie, condensando en los cielos, y volviendo a la superficie como precipitación. En la tierra, esto se conoce como ciclo hidrológico (o del agua), que es parte indispensable de nuestro clima. En el caso de Titán, los mismos pasos están todos ahí, pero lo que se intercambia es metano y no agua.

En años recientes, Los científicos han encontrado evidencia de patrones similares que involucran exoplanetas, con todo, desde metal fundido hasta lluvia de lava. Esto plantea la cuestión de cuán exóticas pueden ser las lluvias en mundos alienígenas. Recientemente, un equipo de investigadores de la Universidad de Havard realizó un estudio en el que investigaron cómo se diferenciaría la lluvia en una amplia gama de entornos planetarios extrasolares.

Esta investigación fue realizada por Kaitlyn Loftus, un doctorado estudiante del Departamento de Ciencias Planetarias y Terrestres de Harvard. Su profesor supervisor (y coautor del estudio) fue Robin D. Wordsworth, quien dirige el Grupo de Investigación sobre Clima Planetario y Evolución Atmosférica de Wordsworth en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard (SEAS).

La investigación sobre las precipitaciones y los registros de precipitaciones pasadas en la Tierra ha enseñado a los científicos mucho sobre la naturaleza dinámica de su clima. Desafortunadamente, esta misma investigación aún no es posible con exoplanetas, lo que impide que los científicos puedan imponer restricciones más estrictas a su habitabilidad potencial. Sin embargo, El conocimiento de estas condiciones en la Tierra ha ayudado a los científicos a predecir los climas planetarios Marte, y Titán.

Por el bien de su estudio, Loftus y Wordsworth examinaron cómo esto podría aplicarse también a los exoplanetas. Como explicó Loftus a Universe Today por correo electrónico:

"Un componente clave de la habitabilidad es el clima (para probar si un planeta puede soportar agua superficial líquida). Un factor importante de incertidumbre en la comprensión del clima en diferentes entornos planetarios (incluso, decir, la transición actual de la Tierra moderna a niveles más altos de CO ₂ niveles) es cómo se comportan las nubes. La precipitación es una de las principales formas en que las nubes "mueren, "por lo que comprender cómo funciona la precipitación puede ayudarnos a limitar el comportamiento de las nubes y, finalmente, predecir mejor el clima planetario.

"La precipitación también ayuda a controlar la cantidad de agua que permanece en la atmósfera. Dado que el vapor de agua es un gas de efecto invernadero muy bueno, este equilibrio de la cantidad de agua en una atmósfera también puede afectar el clima ... Finalmente, La lluvia es un componente esencial del mecanismo de retroalimentación negativa para estabilizar los climas planetarios (el ciclo de carbonato-silicato) que subyace al concepto del exoplaneta "zona habitable".

Este conocimiento será fundamental, Loftus agregado, cuando los telescopios de próxima generación se unan a la búsqueda de exoplanetas potencialmente habitables. En los próximos años, Los astrónomos y astrobiólogos podrán realizar estudios de imágenes directas de atmósferas de exoplanetas. Tener modelos que predicen cómo se comportan las nubes y el vapor de agua en estos planetas contribuirá en gran medida a medir su habitabilidad.

Si bien es muy difícil predecir los patrones de precipitación de un exoplaneta distante, un componente que se puede entender fácilmente es el comportamiento de las gotas de lluvia individuales. Dado que cada gota de lluvia que cae de una nube está gobernada por una combinación de dinámica de fluidos, termodinámica, y condiciones atmosféricas, su estudio puede revelar mucho sobre el clima de un planeta.

Loftus y el profesor Wordsworth procedieron a mostrar cómo se podrían calcular tres propiedades clave en función de tres propiedades clave:su forma, su velocidad de caída, y la velocidad a la que se evaporan. Dijo Loftus:

"Las nubes y las precipitaciones dependen mucho de lo que sucede en escalas de tamaño muy pequeño (gotas de nubes / gotas de lluvia ~ micrones-milímetros), escamas de tamaño mediano (nubes, kilómetros-10 kilómetros), y escalas muy grandes (presupuestos de agua a escala planetaria). Representar todas estas escalas con precisión en un solo modelo no es manejable con computadoras modernas (o en un futuro previsible) ".

"Lo que estamos tratando de hacer es utilizar el componente más simple y mejor entendido del ciclo del agua, las gotas de lluvia debajo de una nube, para restringir lo que es 'importante' entre toda la complejidad, ", agregó. Importante es ciertamente un término subjetivo, pero en este caso, Implica rastrear cuánto vapor de agua atmosférico se convertirá finalmente en agua en la superficie, un requisito clave para la existencia de la vida tal como la conocemos.

De estas tres propiedades, pudieron obtener una expresión simple para explicar el comportamiento de las gotas de lluvia a partir de ecuaciones más complicadas. Por último, descubrieron que (en una amplia gama de condiciones planetarias) solo las gotas de lluvia en un rango de tamaño relativamente estrecho podían llegar a la superficie. Como indicó Loftus, su investigación podría permitir una mejor representación de la lluvia en modelos climáticos complejos en el futuro:

"En este momento, gran parte de lo que entendemos sobre cómo funcionan las nubes y las precipitaciones en un sistema climático más grande está impulsado por lo que vemos (y hemos visto) en la Tierra. Sin embargo, esto deja mucha incertidumbre sobre cuán válido es transferir tales empirismos a regímenes donde muchas condiciones físicas son diferentes.

"[S] o hay muchos grandes interrogantes en torno a las cuestiones de las ciencias de la Tierra no modernas que dependen de cómo se comportan las nubes / precipitación. Este trabajo está tratando de desarrollar lentamente la capacidad para desarrollar expectativas teóricas sobre cómo las nubes y la precipitación debería comportarse fuera de la Tierra moderna y, en última instancia, poner mejores restricciones a esos grandes signos de interrogación ".

Esto será muy útil cuando el telescopio espacial James Webb se lance el 31 de octubre. 2021. Utilizando su conjunto avanzado de instrumentos y espectrómetros infrarrojos, James Webb podrá estudiar las atmósferas de exoplanetas de menor masa que orbitan más cerca de sus estrellas, es decir, donde es más probable que residan planetas rocosos potencialmente habitables.

Estos permitirán a los científicos determinar la composición química de las atmósferas de estos planetas, que puede incluir vapor de agua y otras "biofirmas" reveladoras. Otros telescopios, como el Extremely Large Telescope (ELT) de ESO, el Telescopio Gigante de Magallanes (GMT) y el Telescopio Espacial Romano Nancy Grace podrán realizar estudios de imágenes directas similares de exoplanetas.

Estos instrumentos permitirán niveles sin precedentes de caracterización de exoplanetas, que es algo a lo que los estudios de exoplanetas han estado haciendo la transición en los últimos años. Con más de 4000 exoplanetas confirmados disponibles para estudio, los astrónomos ya no se centran exclusivamente en encontrar candidatos prometedores para el estudio. En esta intersección, se trata de averiguar cuál de estos candidatos cumple los requisitos de por vida.

Los resultados se publicaron en un artículo, titulado "La física de las gotas de lluvia que caen en diversas atmósferas planetarias, "que apareció recientemente en línea y se envió para su publicación al Journal of Geophysical Research:planetas .