地球上為啥不下鉆石雨？

近期，美國科研團(tuán)隊(duì)通過模擬場景實(shí)驗(yàn)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(jiān)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(shí)驗(yàn)室模擬的鉆石雨場景，可以推廣運(yùn)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(shí)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(shí)驗(yàn)?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(gè)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(jìn)一步分析得知，下鉆石雨主要取決于兩個(gè)條件。

首先是上空有一定數(shù)量的甲烷。上世紀(jì)末西方科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，在一定溫度和壓強(qiáng)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(rèn)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(tuán)隊(duì)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(qiáng)閃電、超高氣溫、超高壓強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(dá)星球表面，因強(qiáng)壓變成鉆石。鉆石越過10000多千米的球幔到達(dá)星核，超高溫讓它們變成液態(tài)，形成名符其實(shí)的“鉆石海”。

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(yuǎn)遠(yuǎn)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(tuán)隊(duì)的研究那樣，通過實(shí)驗(yàn)制取批量鉆石呢？

答案是否定的。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)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(qiáng)等方面。

閃電強(qiáng)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(jìn)而產(chǎn)生閃電。

據(jù)推測，木星上閃電強(qiáng)度是地球閃電的1000倍，頻率可達(dá)每秒鐘近10次。目前人類只能進(jìn)行極小規(guī)模的超強(qiáng)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(shí)驗(yàn)到達(dá)此溫度時(shí)只能分解極少量的甲烷。

壓強(qiáng)高得離譜。實(shí)驗(yàn)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(shí)產(chǎn)生的壓力強(qiáng)度。用美國模擬鉆石雨科研團(tuán)隊(duì)成員克勞斯的話說就是，“（讓石墨變成鉆石的壓強(qiáng)）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(fèi)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(xiàn)：

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

責(zé)編：咕嚕