二、宝石雨的“倒计时”:当大气层消失,雨会停吗?
如果WASP-121b的大气层逐渐流失,它的“宝石雨”会如何演变?
答案取决于金属蒸汽的浓度与背阳面的温度。
(1)第一阶段:雨变小,变“稀”
当大气层流失时,高层大气中的金属蒸汽(铁、刚玉)浓度会降低。此时,背阳面的凝结过程依然存在,但凝结的液滴会更少、更小——原本的“暴雨”会变成“毛毛雨”,甚至“雾状降水”。
比如,假设大气层中的铁蒸汽浓度从现在的10??(每百万个大气分子中有1个铁原子)下降到10??,那么背阳面的铁液滴数量会减少99%——宝石雨的“规模”会急剧缩小。
(2)第二阶段:雨变“质”,变“冷”
如果大气层继续流失,背阳面的温度可能会缓慢上升。WASP-121b的大气层像一层“保温毯”,阻挡了部分恒星辐射;当大气层变薄,背阳面的热量会更难保存,温度会从现在的1000℃以下逐渐上升到1200℃甚至更高。
此时,刚玉的凝结温度(1500℃)无法达到——原本的“蓝宝石雨”会消失,取而代之的是铁雨(铁的凝结温度约1800℃?不,等一下,铁的熔点是1538℃,沸点是2862℃,所以在1200℃时,铁还是液态?不对,需要修正:铁的凝结温度是其凝固点,即1538℃。如果背阳面温度降到1538℃以下,铁会凝结;如果温度高于1538℃,铁会保持液态。哦,之前的逻辑有误,需要调整:
正确的逻辑是:WASP-121b的背阳面温度取决于大气层的保温效果。如果大气层变薄,背阳面的热量会通过对流和辐射更快散失,温度会下降,而不是上升。比如,地球的大气层变薄,夜晚会更冷。所以,修正:
当大气层流失,背阳面的温度会下降——比如从1000℃降到800℃。此时,铁的凝结温度是1538℃,所以铁不会凝结;刚玉的凝结温度是1500℃,也不会凝结。那宝石雨会停止吗?
哦,这里需要重新梳理:WASP-121b的白天气温是2500℃,所以金属蒸汽存在于高层大气(热层,约3000℃)。夜晚,大气层降温,从高层到低层,温度逐渐降低。如果背阳面的低层大气温度降到金属的凝固点以下,蒸汽就会凝结。
比如,铁的凝固点是1538℃,刚玉是1500℃。如果背阳面的低层大气温度降到1500℃以下,刚玉会凝结;如果降到1538℃以下,铁也会凝结。
当大气层流失,大气层的“保温能力”下降,背阳面的低层大气温度会下降——比如从1200℃降到1000℃。此时,刚玉和铁都会凝结,所以宝石雨会继续,但可能因为蒸汽浓度降低,雨滴更小。
只有当大气层流失到无法让金属蒸汽到达背阳面时,宝石雨才会停止。比如,大气层变得太稀薄,金属蒸汽在高层大气就冷却凝结,无法下沉到背阳面的低层大气。
这部分需要更准确的物理逻辑,避免错误。比如,大气层的结构:热层(高温,金属蒸汽存在)→ 中间层(降温)→ 对流层(背阳面,低温)。如果大气层变薄,对流层的厚度会减小,金属蒸汽可能在对流层顶部就凝结,无法到达地表——此时,宝石雨会变成“高层大气中的云”,而不是落到地表的雨。
哦,对,之前的“宝石雨落到地表”是一个简化,实际上,金属蒸汽可能在高层大气凝结成云,然后以“降雨”的形式落到对流层,但如果大气层变薄,对流层消失,云会在高层大气形成,然后被恒星风刮走,无法落到地表。
所以,修正后的逻辑:
- 当大气层流失,对流层变薄,金属蒸汽凝结成的云会在高层大气(热层与中间层之间)形成,然后被恒星风剥离,无法落到地表——此时,“宝石雨”会停止,变成“高层大气中的云”。
- 只有当大气层保持足够的厚度,对流层存在,云才能下沉到背阳面的地表,形成“雨”。
这样更准确。
三、早期地球的“金属童年”:WASP-121b是地球的“放大版过去”
WASP-121b的“宝石雨”,其实是我们地球的“童年镜像”。
40亿年前,早期地球的大气层与WASP-121b极为相似:高温、富含重金属蒸汽。当时,地球刚从“大碰撞”(与一颗火星大小的天体碰撞,形成月球)中恢复,内部岩浆活动剧烈,地表温度高达2000℃,大气层中充满了从地幔挥发出来的铁、镁、硅蒸汽。
2024年,MIT行星科学家莎拉·西格(Sara Seager)团队通过三维气候-地质耦合模型模拟早期地球:当时的大气层压力是现在的10倍,温度高达2000℃,铁蒸汽浓度是WASP-121b的5倍。这些铁蒸汽在高层大气凝结成云,然后以“铁雨”的形式落到地表——这些铁雨汇聚成早期的海洋,或者沉积在海底,成为后来生命起源的“原料”(比如,铁是早期微生物的“能量来源”)。
本小章还未完,请点击下一页继续阅读后面精彩内容!