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地球上为什么不会下钻石雨?

来源:蝌蚪五线谱2023-03-06 19:47

  近期,美国科研团队通过模拟场景实验后推断,土星、木星及太阳系外的很多星球上空都会下钻石雨。

  这是继关于“太阳系里天王星、海王星上空经常下钻石雨”研究理论的又一突破。

  物以稀为贵。作为地球上最昂贵的物品之一,钻石因闪亮坚硬且量少而深受人们喜爱,由它所做的钻戒更是求婚的主打礼物。

  天王星、海王星、土星、木星等都下钻石雨,地球上怎么不下呢?实验室模拟的钻石雨场景,可以推广运用吗?

  高档钻石,图源:钻石交易网

  01

  不一般的雨!

  想象中的雨,自然是天空的“水”飘洒而下。实际上,这只是地球上的特殊场景。

  众所周知,地面上的水受太阳光照射后变成水蒸气(又称“水汽”)。水汽上升到空中,遇到冷空气变成小水滴。

  这些小水滴有两种结局:又小又轻的被气流托在空中,变成了云;稍大的,经聚合后重力超过空气浮力,变成雨滴落到地面。稍大的雨滴如果遇到急剧下降的温度,雨滴就会凝结成冰雹降落。

  由此得知,下雨属于物理变化。

  雨雪形成示意图,来源:线上课堂网

  下钻石雨与地球上空的下雨本质上不同。据1986年探测器飞掠天王星、1989年飞掠海王星得到的数据和科学家实验模拟还原钻石雨的过程得知, 星球上空的雷电将气体中的甲烷分解,从而形成煤灰形态的碳,碳下落变成石墨,石墨落到星球深处因巨大的压力形成钻石。

  从甲烷到碳到石墨再到钻石,这个过程明显属于化学变化。

  晶莹剔透的钻石跟黑糊糊的碳粉、石墨是一家人

  图源:钻石交易网

  进一步分析得知,下钻石雨主要取决于两个条件

  首先是上空有一定数量的甲烷。上世纪末西方科学家研究发现,在一定温度和压强条件下,甲烷会分解产生碳原子,最终聚合形成钻石。

  太阳系四大气态行星里,天王星、海王星不像地球一样有岩石、土壤,而是布满由氢、氦、甲烷、乙烷等气体组成的大气层。

  科学家们一度认为,由于甲烷占总气体的约15%,所以它们上空完全符合下钻石雨的条件;土星、木星上空含甲烷量很低,不足总气体的0.5%,所以不会下钻石雨。

  近期美国科研团队研究推断,土星、木星上空不但会下钻石雨,而且约有1000000千克/天的碳落入星球深处变成钻石,其含量是地球钻石年存量的50倍。这些钻石“雨”里,大的直径超过1厘米,类似约15克拉的大钻石。

  其次是必须具备特殊的自然现象或条件,比如强闪电、超高气温、超高压强和超厚的大气层或球幔。除了每秒十次的闪电风暴,几千度的高温,上百万帕的压强外,超厚的大气层或球幔为甲烷变成钻石提供了绝佳场所。

  以土星和木星为例。据推测,它们的大气层有几万千米,而地球的大气层只有约 100千米;它们的直径超过12万千米,是地球直径的10倍以上,其球幔厚度可想而知。甲烷被土星和木星上空的强闪电击穿后,下降4000多千米变成石墨,石墨下降6000多千米到达星球表面,因强压变成钻石。钻石越过10000多千米的球幔到达星核,超高温让它们变成液态,形成名符其实的“钻石海”。

  海王星结构图,由外至内依次为高层大气、低层大气、球幔、球核,图源见水印

  02

  见不到的钻石雨!

  作为人类已知唯一孕育和支持生命的天体,地球上从没出现也不可能出现钻石雨。

  第一,地球上的甲烷含量占总气体的0.0002%,即使全部转化为钻石,也只是土星上钻石数量的千分之一。

  第二,地球上的大气压远远不能把甲烷变成钻石,完成此操作的大气压,足以把高山压成粉末,更不要说人体。

  第三,退一万步讲,即使在地球上空完成甲烷变钻石的操作,但由于下落速度高、锯齿边缘锋利等原因,定会将地球表面破坏得千疮百孔,后果不可想象。

  模拟的钻石雨,来源:逐游酣星博客

  天空中不会下钻石雨,那可否像之前美国科研团队的研究那样,通过实验制取批量钻石呢?

  答案是否定的。因为实验不但需要超级昂贵和复杂的设备,而且模拟星球内部环境的技术难度也非常大。其难度主要表现在闪电、高温、压强等方面。

  闪电强度不是一般大。气态星球上空大气层里的水蒸气,受星球内部的热量影响,会聚合形成雷暴云,进而产生闪电。

  据推测,木星上闪电强度是地球闪电的1000倍,频率可达每秒钟近10次。目前人类只能进行极小规模的超强闪电测试。

  木星上的狂暴闪电

  图源:NASA ,来自“朱诺号”探测器的拍摄

  分解物质温度需求相当高。要分解甲烷或类甲烷气体(如聚苯乙烯),得到其中的碳单质,必须把温度升高到5000摄氏度。实验到达此温度时只能分解极少量的甲烷。

  压强高得离谱。实验让石墨变成钻石,需要150万帕。1帕是指1牛顿的力均匀地压在1平方米面积时产生的压力强度。用美国模拟钻石雨科研团队成员克劳斯的话说就是,“(让石墨变成钻石的压强)相当于大约250只非洲象的重量集中在拇指甲表面所产生的压力。这或许也是海王星等气态星球表面以下10000千米处的环境”。

  由此得知,要从甲烷或类甲烷气体中提炼钻石,成本和难度都不可想象。有人推算,要从甲烷中提炼1克拉钻石,至少要花去购买1000克拉钻石费用。

  既没办法到天王星等星球上取钻石,期待地球下钻石雨也不可能,甲烷制取钻石又得不偿失,所以钻石雨的话题只能作为茶余饭后的谈资,或成为作家们创作科幻小说的素材!

  参考文献:

  1.论文《科学家成功创造出“钻石雨”》,《掌桥科研》2017年

  2.论文《太阳系八大行星的表面分析》,《科技与生活》2011年第20期

  3.文章《科学家猜测:宇宙中的“钻石雨”现象很常见》,牧夫天文论坛2022.9.14,作者解仁江

  END

  作者:魏德勇 广东深圳市作家协会会员

  审核:鲁暘筱懿 行星物理学博士,中国天文学会会员

[ 责编:蔡琳 ]
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