Em Titan, A maior lua de Saturno, chove regularmente. Tal como acontece com a Terra, essas chuvas são o resultado da evaporação do líquido na superfície, condensando nos céus, e voltando à superfície como precipitação. Na terra, isso é conhecido como ciclo hidrológico (ou da água), que é uma parte indispensável do nosso clima. No caso do Titan, as mesmas etapas estão todas lá, mas é o metano que está sendo trocado e não a água.

Nos últimos anos, cientistas encontraram evidências de padrões semelhantes envolvendo exoplanetas, com tudo, desde metal fundido a chuva de lava! Isso levanta a questão de quão exóticas podem ser as chuvas em mundos alienígenas. Recentemente, uma equipe de pesquisadores da Havard University conduziu um estudo no qual pesquisou como a chuva seria diferente em uma ampla variedade de ambientes planetários extra-solares.

Esta pesquisa foi conduzida por Kaitlyn Loftus, um Ph.D. estudante do Departamento de Ciências da Terra e Planetárias de Harvard. Seu professor supervisor (e co-autor do estudo) foi Robin D. Wordsworth, que lidera o Grupo de Pesquisa sobre Clima Planetário e Evolução Atmosférica de Wordsworth na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard (SEAS).

A pesquisa sobre a precipitação e os registros das chuvas anteriores na Terra ensinaram muito aos cientistas sobre a natureza dinâmica de seu clima. Infelizmente, esta mesma pesquisa ainda não é possível com exoplanetas, o que impede os cientistas de colocarem restrições mais rígidas em sua habitabilidade potencial. Contudo, o conhecimento dessas condições na Terra ajudou os cientistas a prever os climas planetários de Marte, e Titan.

Para o bem de seu estudo, Loftus e Wordsworth examinaram como isso poderia ser aplicado a exoplanetas também. Como Loftus explicou à Universe Today por e-mail:

"Um componente-chave da habitabilidade é o clima (para testar se um planeta pode suportar água de superfície líquida). Um grande fator de incerteza na compreensão do clima em diferentes ambientes planetários (até mesmo, dizer, a atual transição da Terra moderna para um CO mais alto ₂ níveis) é como as nuvens se comportam. A precipitação é uma forma chave pela qual as nuvens "morrem, "Portanto, entender como a precipitação funciona pode nos ajudar a restringir o comportamento das nuvens e, eventualmente, prever melhor o clima planetário.

"A precipitação também ajuda a controlar a quantidade de água que permanece na atmosfera. Como o vapor d'água é um gás de efeito estufa muito bom, este equilíbrio de quanta água existe em uma atmosfera também pode impactar o clima ... Finalmente, a chuva é um componente essencial do mecanismo de feedback negativo para estabilizar os climas planetários (o ciclo carbonato-silicato) que fundamenta o conceito de "zona habitável" do exoplaneta.

Esse conhecimento será essencial, Loftus adicionou, quando os telescópios da próxima geração se juntam à busca por exoplanetas potencialmente habitáveis. Nos próximos anos, astrônomos e astrobiólogos serão capazes de conduzir estudos diretos de imagens de atmosferas de exoplanetas. Ter modelos que prevejam como as nuvens e o vapor de água se comportam nesses planetas ajudará muito a medir sua habitabilidade.

Embora seja altamente difícil prever os padrões de precipitação de um exoplaneta distante, um componente que pode ser facilmente compreendido é o comportamento de gotas de chuva individuais. Dado que cada gota de chuva que cai de uma nuvem é governada por uma combinação de dinâmica de fluidos, termodinâmica, e condições atmosféricas, seu estudo pode revelar muito sobre o clima de um planeta.

Loftus e o Prof. Wordsworth continuaram a mostrar como três propriedades-chave podem ser calculadas com base em três propriedades-chave:sua forma, sua velocidade de queda, e a velocidade com que evaporam. Disse Loftus:

"Nuvens e precipitação dependem muito do que acontece em escalas de tamanho muito pequenas (gotas de nuvens / gotas de chuva ~ mícrons-milímetros), escalas de tamanho médio (nuvens, quilômetros-10s quilômetros), e escalas muito grandes (orçamentos de água em escala planetária). Representar todas essas escalas com precisão em um único modelo não é tratável com computadores modernos (ou no futuro previsível). "

"O que estamos tentando fazer é usar o componente mais simples e mais bem compreendido do ciclo da água - gotas de chuva abaixo de uma nuvem - para restringir o que é 'importante' em meio a toda a complexidade, "ela acrescentou. Importante é certamente um termo subjetivo, mas neste caso, envolve rastrear quanto vapor de água atmosférico acabará se transformando em água na superfície - um requisito fundamental para a existência da vida como a conhecemos.

A partir dessas três propriedades, eles foram capazes de obter uma expressão simples para explicar o comportamento das gotas de chuva a partir de equações mais complicadas. Em última análise, eles descobriram que (em uma ampla gama de condições planetárias) eram apenas gotas de chuva em uma faixa de tamanho relativamente estreita que podiam atingir a superfície. Como Loftus indicou, sua pesquisa pode permitir representações melhoradas da precipitação em modelos climáticos complexos no futuro:

"No momento, muito do que entendemos sobre como as nuvens e a precipitação funcionam em um sistema climático maior é impulsionado pelo que vemos (e vimos) na Terra. No entanto, isso deixa muita incerteza sobre a validade de transferir tais empirismos para regimes em que muitas condições físicas são diferentes.

"Há muitos pontos de interrogação em torno de quaisquer questões não modernas das ciências da Terra que dependem de como as nuvens / precipitação se comportam. Este trabalho está tentando construir lentamente a capacidade de desenvolver expectativas baseadas na teoria de como as nuvens e precipitação deve se comportar fora da Terra moderna e, em última análise, colocar melhores restrições sobre esses grandes pontos de interrogação. "

Isso será muito útil quando o Telescópio Espacial James Webb for lançado em 31 de outubro, 2021. Usando seu conjunto avançado de instrumentos infravermelhos e espectrômetros, o James Webb será capaz de estudar as atmosferas de exoplanetas de massa menor que orbitam mais perto de suas estrelas, ou seja, onde planetas rochosos potencialmente habitáveis ​​têm maior probabilidade de residir.

Isso permitirá que os cientistas determinem a composição química da atmosfera desses planetas, que pode incluir vapor de água e outras "bioassinaturas" reveladoras. Outros telescópios, como o Extremely Large Telescope (ELT) do ESO, o Telescópio Gigante de Magalhães (GMT) e o Telescópio Espacial Nancy Grace Roman serão capazes de conduzir estudos de imagem diretos semelhantes de exoplanetas.

Esses instrumentos permitirão níveis sem precedentes de caracterização de exoplanetas, que é algo para o qual os estudos de exoplanetas têm feito a transição nos últimos anos. Com mais de 4000 exoplanetas confirmados disponíveis para estudo, os astrônomos não estão mais focados exclusivamente em encontrar candidatos promissores para estudos. Na atual conjuntura, trata-se de descobrir qual desses candidatos atende aos requisitos para a vida!

Os resultados foram publicados em um artigo, intitulado "The Physics of Falling Raindrops in Diverse Planetary Atmospheres, "que apareceu recentemente online e foi submetido para publicação ao Journal of Geophysical Research:Planets .