地球上为什么不会下钻石雨？

　　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

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　　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