El tamaño de las gotas de lluvia puede ayudar a identificar exoplanetas potencialmente habitables

Gotas de lluvia. El Puente Golden Gate se refracta en gotas de
 lluvia que actúan como lentes.

Crédito: Brocken Inaglory / Wikimedia Commons.

Un día, la humanidad puede poner un pie en otro planeta habitable. Ese planeta puede verse muy diferente a la Tierra, pero una cosa te resultará familiar: la lluvia. 

En un artículo reciente, los investigadores de Harvard encontraron que las gotas de lluvia son notablemente similares en diferentes entornos planetarios. Eso es incluso para planetas tan drásticamente diferentes como la Tierra y Júpiter. Comprender el comportamiento de las gotas de lluvia en otros planetas es clave para revelar el clima antiguo en planetas como Marte. Pero también para identificar planetas potencialmente habitables fuera de nuestro Sistema Solar. 

«El ciclo de vida de las nubes es realmente importante cuando pensamos en la habitabilidad del planeta», dijo Kaitlyn Loftus. Ella es estudiante de posgrado en el Departamento de Ciencias Planetarias y de la Tierra y autora principal del artículo. “Pero las nubes y las precipitaciones son realmente complicadas y demasiado complejas para modelarlas por completo. Estamos buscando formas más sencillas de comprender cómo evolucionan las nubes. Un primer paso es si las gotas de nubes se evaporan en la atmósfera o llegan a la superficie en forma de lluvia”.

«La humilde gota de lluvia es un componente vital del ciclo de precipitación para todos los planetas», dijo Robin Wordsworth. Él es Profesor Asociado de Ciencias Ambientales e Ingeniería en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson. Además es autor principal del artículo. «Si entendemos cómo se comportan las gotas de lluvia individuales, podremos representar mejor la lluvia en modelos climáticos complejos».

El tamaño de las gotas de lluvia y su llegada a la superficie

Un aspecto esencial del comportamiento de las gotas de lluvia, al menos para los modeladores climáticos, es si la gota llega o no a la superficie del planeta. Esto es, porque el agua en la atmósfera juega un papel importante en el clima planetario. Con ese fin, el tamaño importa. Demasiado grande y la gota se romperá debido a una tensión superficial insuficiente. Esto es independientemente de si es agua, metano o hierro líquido sobrecalentado, como en un exoplaneta llamado WASP-76b. Demasiado pequeña y la gota se evaporará antes de tocar la superficie. 

Loftus y Wordsworth identificaron una zona de ‘Ricitos de Oro’ para el tamaño de las gotas de lluvia. Para ello usaron solo tres propiedades: forma de gota, velocidad de caída y velocidad de evaporación. 

Las formas de las gotas son las mismas en diferentes materiales de lluvia y dependen principalmente del peso de la gota. Si bien muchos de nosotros podemos imaginarnos una gota tradicional en forma de lágrima, las gotas de lluvia son en realidad esféricas cuando son pequeñas. Se aplastan a medida que crecen hasta que adquieren una forma como la parte superior de un bollo de hamburguesa. La velocidad de caída depende de esta forma, así como de la gravedad y el grosor del aire circundante. 

La velocidad de evaporación es más complicada, influenciada por la composición atmosférica, la presión, la temperatura, la humedad relativa y más. 

Teniendo en cuenta todas estas propiedades, los investigadores encontraron un resultado. En una amplia gama de condiciones planetarias solo una fracción pequeñísima de los posibles tamaños de gota en una nube pueden alcanzar la superficie. Esto es consecuencia de la matemática de la caída de gotas de lluvia.

Utilidad de los conocimientos adquiridos

«Podemos utilizar este comportamiento para guiarnos mientras modelamos los ciclos de nubes en exoplanetas», dijo Loftus. 

“Los conocimientos que obtenemos al pensar en las gotas de lluvia y las nubes en diversos entornos son clave para comprender la habitabilidad de los exoplanetas. A largo plazo, también pueden ayudarnos a obtener una comprensión más profunda del clima de la Tierra», dijo Wordsworth.

Esta investigación fue apoyada por la National Science Foundation a través de la subvención AST-1847120.

Fuente: Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Siences.

Artículo original: «Raindrops also keep fallin’ on exoplanets«. Leah Burrows. April 5, 2021.

Material relacionado

La forma de una gota de lluvia que cae

Representación gráfica de cómo una gota de lluvia cambia de forma a medida que cae a través de la atmósfera.
Crédito: NASA Goddard Space Flight Center.

En lo alto de la atmósfera , el agua se acumula en polvo y partículas de humo en las nubes. Las gotas de lluvia comienzan a formarse en una estructura aproximadamente esférica debido a la tensión superficial del agua. 

A medida que cae la gota de lluvia, pierde esa forma redondeada. La gota de lluvia se parece más a la mitad superior de un pan de hamburguesa. 

Puedes ver la explicación aquí:

El clima en los 8 planetas de nuestro Sistema Solar

Siete de los ocho planetas del Sistema Solar están rodeados de atmósferas. Las atmósferas también rodean algunas de las lunas más grandes, como la luna Titán de Saturno. Incluso Plutón, un objeto del Cinturón de Kuiper, posee una atmósfera tenue cuando los hielos se vaporizan desde su superficie.

En la Tierra, el tiempo impacta en todas nuestras vidas y actividades. El tiempo está determinado por el movimiento y el estado de la atmósfera y puede cambiar de un día a otro o incluso de una hora a otra en muchos lugares. El tiempo es diferente del clima, que se puede considerar como las condiciones promedio en un área durante un período de tiempo más largo. Los cambios climáticos ocurren en escalas de tiempo de décadas a millones de años.

Al igual que la Tierra, cada atmósfera planetaria tiene sus propios patrones y fenómenos climáticos, a menudo extremos y, a veces, hermosos.

Una breve presentación se hace en el artículo a continuación.

Lluvia de Metano en Titán

La exploración detallada de Titán con misiones espaciales comenzó hace un par de años. La presencia de brillantes nubes polares y lechos de ríos secos en este satélite de Saturno ha intrigado a los astrónomos desde entonces. Los doctores Ricardo Hueso y Agustín Sánchez Lavega, son miembros del Grupo de Ciencias Planetarias de la Universidad del País Vasco (UPV-EHU). Ellos han presentado una explicación de los fenómenos en la edición de julio de 2006 de ‘Nature’. Las nubes y los lechos secos se deben a las gigantescas tormentas de metano que ocurren en Titán. El satélite de Saturno tendría así un ciclo de metano, probablemente similar al ciclo del agua de la Tierra.

Lluvia de diamantes en Urano y Neptuno

Urano y Neptuno captados por la nave espacial Voyager.
Crédito: 
NASA / JP L / Calthec.

En lo profundo de los corazones de Neptuno y Urano, podría estar lloviendo diamantes. Ahora, los científicos han producido nueva evidencia experimental que muestra cómo esto podría ser posible.

Lluvias en exoplanetas extremos

Lluvia de hierro líquido en WASP-76b

Esta ilustración muestra una vista del lado nocturno del exoplaneta WASP-76b. 
El exoplaneta gigante ultracaliente tiene un lado diurno donde las temperaturas superan los 2400 grados Celsius, lo suficientemente alto como para vaporizar los metales. Los vientos fuertes llevan el vapor de hierro al lado más frío de la noche, donde se condensa en gotas de hierro. A la izquierda de la imagen, vemos el borde vespertino del exoplaneta, donde pasa del día a la noche.
Crédito:ESO / M. Kornmesser
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Gracias a la tecnología, ahora podemos descubrir planetas a cientos de años luz de distancia sin siquiera tener que verlos. Un ejemplo es WASP-76b, un Júpiter caliente no directamente observable. Pero sabemos mucho de él, siguiendo los cuidadosos estudios fotométricos y espectroscópicos de la estrella alrededor de la cual orbita. Sabemos, que es un planeta con un clima extremo, con temperaturas superiores a los 2.500 ºC y vientos de 19.000 kilómetros por hora. Además tiene lluvias de hierro líquido en su hemisferio nocturno.

El siguiente artículo lo presenta en detalle:

Exoplaneta con nubes de rubí y zafiro

Se pronostican condiciones ventosas para HAT-P-7b hoy, mientras que una nube de gemas pesadas puede aclararse más tarde.
Crédito: Mark Garlick / Universidad de Warwick
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Está nublado con posibilidad de piedras preciosas. Un planeta de gran tamaño a 1000 años luz de la Tierra tiene nubes que pueden contener los componentes básicos de rubíes y zafiros, según el primer informe meteorológico de exoplanetas.

La publicación a continuación lo aborda:

Exoplanetas extremadamente calientes pueden tener condiciones climáticas extremas, como nubes de óxido de aluminio y lluvia de titanio

Altitudes de nubes pronosticadas y composiciones para un rango de temperaturas comunes en los Júpiter Calientes. El rango, en Kelvin, corresponde a aproximadamente 800-3,500 grados Fahrenheit, o 427-1,927 grados Celsius. 
Crédito Imagen: UC Berkeley / Peter Gao
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Gracias al éxito de la misión Kepler, sabemos que hay multitud de exoplanetas de un tipo llamado «Júpiter calientes». Estos son gigantes gaseosos que orbitan tan cerca de sus estrellas que alcanzan temperaturas extremadamente altas. También tienen atmósferas exóticas, y esas atmósferas contienen mucha extrañeza, como nubes hechas de óxido de aluminio y lluvia de titanio.

Curiosidades

Por qué las gotas de lluvia no matan a los mosquitos

Cuando una gota de lluvia golpea a un mosquito, el mosquito y la gota se unen. El mosquito cabalga sobre la gota durante una milésima de segundo antes de que sus alas, que actúan como cometas, lo saquen del agua.
Crédito: Biblioteca de imágenes de salud pública de los CDC

Imagínese lo difícil que sería la vida si las gotas de lluvia pesaran 3 toneladas cada una al caer del cielo a 32 km/h. Así es como se ven las gotas de lluvia para un mosquito. Sin embargo, una gota de agua que pese 50 veces más que él, puede golpear al insecto y el mosquito sobrevivirá. David Hu, Profesor Asistente de Ingeniería Mecánica en Georgia Tech junto a su equipo, ofrecen una explicación.

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