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近期,美國科研團隊通過模擬場景實驗后推斷,土星、木星及太陽系外的很多星球上空都會下鉆石雨。
這是繼關(guān)于“太陽系里天王星、海王星上空經(jīng)常下鉆石雨”研究理論的又一突破。
物以稀為貴。作為地球上最昂貴的物品之一,鉆石因閃亮堅硬且量少而深受人們喜愛,由它所做的鉆戒更是求婚的主打禮物。
天王星、海王星、土星、木星等都下鉆石雨,地球上怎么不下呢?實驗室模擬的鉆石雨場景,可以推廣運用嗎?
高檔鉆石,圖源:鉆石交易網(wǎng)
01
不一般的雨!
想象中的雨,自然是天空的“水”飄灑而下。實際上,這只是地球上的特殊場景。
眾所周知,地面上的水受太陽光照射后變成水蒸氣(又稱“水汽”)。水汽上升到空中,遇到冷空氣變成小水滴。
這些小水滴有兩種結(jié)局:又小又輕的被氣流托在空中,變成了云;稍大的,經(jīng)聚合后重力超過空氣浮力,變成雨滴落到地面。稍大的雨滴如果遇到急劇下降的溫度,雨滴就會凝結(jié)成冰雹降落。
由此得知,下雨屬于物理變化。
雨雪形成示意圖,來源:線上課堂網(wǎng)
下鉆石雨與地球上空的下雨本質(zhì)上不同。據(jù)1986年探測器飛掠天王星、1989年飛掠海王星得到的數(shù)據(jù)和科學(xué)家實驗?zāi)M還原鉆石雨的過程得知,星球上空的雷電將氣體中的甲烷分解,從而形成煤灰形態(tài)的碳,碳下落變成石墨,石墨落到星球深處因巨大的壓力形成鉆石。
從甲烷到碳到石墨再到鉆石,這個過程明顯屬于化學(xué)變化。
晶瑩剔透的鉆石跟黑糊糊的碳粉、石墨是一家人
圖源:鉆石交易網(wǎng)
進一步分析得知,下鉆石雨主要取決于兩個條件。
首先是上空有一定數(shù)量的甲烷。上世紀末西方科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn),在一定溫度和壓強條件下,甲烷會分解產(chǎn)生碳原子,最終聚合形成鉆石。
太陽系四大氣態(tài)行星里,天王星、海王星不像地球一樣有巖石、土壤,而是布滿由氫、氦、甲烷、乙烷等氣體組成的大氣層。
科學(xué)家們一度認為,由于甲烷占總氣體的約15%,所以它們上空完全符合下鉆石雨的條件;土星、木星上空含甲烷量很低,不足總氣體的0.5%,所以不會下鉆石雨。
近期美國科研團隊研究推斷,土星、木星上空不但會下鉆石雨,而且約有1000000千克/天的碳落入星球深處變成鉆石,其含量是地球鉆石年存量的50倍。這些鉆石“雨”里,大的直徑超過1厘米,類似約15克拉的大鉆石。
其次是必須具備特殊的自然現(xiàn)象或條件,比如強閃電、超高氣溫、超高壓強和超厚的大氣層或球幔。除了每秒十次的閃電風(fēng)暴,幾千度的高溫,上百萬帕的壓強外,超厚的大氣層或球幔為甲烷變成鉆石提供了絕佳場所。
以土星和木星為例。據(jù)推測,它們的大氣層有幾萬千米,而地球的大氣層只有約 100千米;它們的直徑超過12萬千米,是地球直徑的10倍以上,其球幔厚度可想而知。甲烷被土星和木星上空的強閃電擊穿后,下降4000多千米變成石墨,石墨下降6000多千米到達星球表面,因強壓變成鉆石。鉆石越過10000多千米的球幔到達星核,超高溫讓它們變成液態(tài),形成名符其實的“鉆石?!?。
海王星結(jié)構(gòu)圖,由外至內(nèi)依次為高層大氣、低層大氣、球幔、球核,圖源見水印
02
見不到的鉆石雨!
作為人類已知唯一孕育和支持生命的天體,地球上從沒出現(xiàn)也不可能出現(xiàn)鉆石雨。
第一,地球上的甲烷含量占總氣體的0.0002%,即使全部轉(zhuǎn)化為鉆石,也只是土星上鉆石數(shù)量的千分之一。
第二,地球上的大氣壓遠遠不能把甲烷變成鉆石,完成此操作的大氣壓,足以把高山壓成粉末,更不要說人體。
第三,退一萬步講,即使在地球上空完成甲烷變鉆石的操作,但由于下落速度高、鋸齒邊緣鋒利等原因,定會將地球表面破壞得千瘡百孔,后果不可想象。
模擬的鉆石雨,來源:逐游酣星博客
天空中不會下鉆石雨,那可否像之前美國科研團隊的研究那樣,通過實驗制取批量鉆石呢?
答案是否定的。因為實驗不但需要超級昂貴和復(fù)雜的設(shè)備,而且模擬星球內(nèi)部環(huán)境的技術(shù)難度也非常大。其難度主要表現(xiàn)在閃電、高溫、壓強等方面。
閃電強度不是一般大。氣態(tài)星球上空大氣層里的水蒸氣,受星球內(nèi)部的熱量影響,會聚合形成雷暴云,進而產(chǎn)生閃電。
據(jù)推測,木星上閃電強度是地球閃電的1000倍,頻率可達每秒鐘近10次。目前人類只能進行極小規(guī)模的超強閃電測試。
木星上的狂暴閃電
圖源:NASA ,來自“朱諾號”探測器的拍攝
分解物質(zhì)溫度需求相當(dāng)高。要分解甲烷或類甲烷氣體(如聚苯乙烯),得到其中的碳單質(zhì),必須把溫度升高到5000攝氏度。實驗到達此溫度時只能分解極少量的甲烷。
壓強高得離譜。實驗讓石墨變成鉆石,需要150萬帕。1帕是指1牛頓的力均勻地壓在1平方米面積時產(chǎn)生的壓力強度。用美國模擬鉆石雨科研團隊成員克勞斯的話說就是,“(讓石墨變成鉆石的壓強)相當(dāng)于大約250只非洲象的重量集中在拇指甲表面所產(chǎn)生的壓力。這或許也是海王星等氣態(tài)星球表面以下10000千米處的環(huán)境”。
由此得知,要從甲烷或類甲烷氣體中提煉鉆石,成本和難度都不可想象。有人推算,要從甲烷中提煉1克拉鉆石,至少要花去購買1000克拉鉆石費用。
既沒辦法到天王星等星球上取鉆石,期待地球下鉆石雨也不可能,甲烷制取鉆石又得不償失,所以鉆石雨的話題只能作為茶余飯后的談資,或成為作家們創(chuàng)作科幻小說的素材!
參考文獻:
1.論文《科學(xué)家成功創(chuàng)造出“鉆石雨”》,《掌橋科研》2017年
2.論文《太陽系八大行星的表面分析》,《科技與生活》2011年第20期
3.文章《科學(xué)家猜測:宇宙中的“鉆石雨”現(xiàn)象很常見》,牧夫天文論壇2022.9.14,作者解仁江
END
作者:魏德勇 廣東深圳市作家協(xié)會會員
審核:魯暘筱懿
行星物理學(xué)博士,中國天文學(xué)會會員
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