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如今我们能更明白地看到冥王星的复杂性,这都要归功于美国国家航空与航天局(NASA)的航天器「新视野号」。2015年7月14号,新视野号进入矮行星的12,500公里(7,800英里)范围内。飞越新视野号的过程中捕捉描绘了冥王星的大气及表面情况。

 

冥王星有着白雪覆盖的山峰,但这是为什么?

新视野号看到的是一片白雪皑皑的山脉。

在我们的地球上,气温随海拔上升而下降,这是我们的山脉被积雪覆盖的原因。但在冥王星上温度的变化恰恰相反,由于太阳辐射,海拔越高温度也越高。一定海拔高度的大气层平均气温要比表面高几十度。

那又是为什么会有霜呢?

该地区位于冥王星暗红色赤道区域以南,其非正式名称是克苏鲁区(Cthulhu Regio),在广阔的氮冰平原的西南部,该地区非正式地名是史波尼克高原(Sputnik Planitia)。以上为北;在图像的西部,一片明亮的山脉向北延伸到克苏鲁区里。新视野号的成分数据表明,山顶明亮的「雪」并不是水,而是在高海拔凝结成霜的大气甲烷。

冥王星有着白雪覆盖的山峰,但这是为什么?

图片来源:美国国家航空与航天局/约翰·霍普金斯应用物理实验室/美国西南研究院

由法国国家科学研究中心(CNRS)成员领导的一组研究人员在一项新研究中揭开了这个问题。研究标题是「冥王星赤道山脉被独特大气过程所产生的甲烷霜所覆盖」,主要作者是Tanguy Bertrand,他目前是NASA Ames研究中心的博士后研究员。该研究发表在《自然—通讯》上。

新视野号在冥王星赤道的克苏鲁区中的Pigafetta Montes和Elcano Montes两座山脉上发现了「雪」。但冥王星的雪不像地球的雪。它是冷冻的甲烷,而不是冷冻的水。但冥王星是一个寒冷世界,在稀薄的大气层中只有很少的甲烷。那么山顶上的积雪又是如何形成的呢?

冥王星上出现雪山,成因是何!/冥王星初雪,一起来看吧!

冥王星的地表有着很多不同寻常的地形地貌,它们都有着自己独特的颜色,这些地形地貌将向我们徐徐讲述一个复杂的地理学和气候学方面的故事。(信息来源: Courtesy NASA / JHUAPL / SwRI Table of Contents page 2015 Annual Report Division: (15))

在地球上,由于绝热冷却的作用,温度随着海拔的升高而减小。空气逐渐向山坡上转移,它慢慢扩散,导致了冷却作用。空气下降时,情况则刚好相反:空气变得温暖。当潮湿的空气上升并足够冷时,它将被压缩然后变成雪落下。这一现象在地球上是很好理解的,但是它却不能解释冥王星出现的雪。

冥王星有着白雪覆盖的山峰,但这是为什么?

在地球上,温度随着海拔的升高而降低,约每100米降低1℃。冥王星上则是海拔越高越温暖。但是在那,高海拔区域依旧存在着甲烷形成的霜雪。(信息来源:Tanguy Bertand et al,. 2020)

这支队伍使用了一个气候模型去寻找山上落雪的成因。冥王星稀薄的大气层主要由氮气组成,并伴有微量的甲烷和二氧化碳。因此,冥王星山顶的雪很难用这些微量的甲烷来解释。

通过用这种气候模型,研究者确定,冥王星的大气力学保证了甲烷始终聚集在较高海拔。而只有在山顶才有足以形成雪的甲烷。在较低海拔,只是没有足够的甲烷。

虽然冥王星没有一个像地球一样厚且隔离的大气层,但这颗矮行星由于吸收太阳射线在较高海拔处变得温暖,因为热量被大气层中的甲烷吸收了。这种现象仅仅在最初的海拔几千米有效。甲烷吸收热量的过程不会出现在表面有氮冰的地方,因为氮冰可以升华同时冷却最初的海拔几千米。

冥王星有着白雪覆盖的山峰,但这是为什么?

A)新地平线号探测器拍摄的冥王星克鲁苏地区东南部地图,位于斯普特尼克平原赤道地区的西部。黄色的方块表示这片区域的边界,其细节见于(b)。

B)克鲁苏地区(东经148.2°,南纬10.1°)皮加费塔山脉和埃尔卡诺山脉被甲烷冰覆盖的山脊,通过可见多色成像相机(Ralph/MVIC)拍摄的增强彩色图像(约6800米/每像素点,圆柱投影法)

C)阿尔卑斯山区被水冰覆盖的山脉的卫星照片

冥王星的大气层非常稀薄,无法为这颗行星的表面保温。因此,当地表上没有固体氮时,就会存在一种“局部辐射平衡”。这种平衡与海拔高度无关,而比它上方的大气层温度还要低。

其结果是,地表附近的空气被冷却,密度变得更大,因而始终有向下流动的趋势。其他研究者所做的气候模拟表明这种机制时时刻刻存在于整个冥王星上,这表明冥王星完全被下坡风所支配。这就冥王星积雪的形式如此令人费解的原因。它与地球上的情况完全不同,地球上的空气随着上升而冷却,然后将其中的水分以冰雪的形式沉积在山上。

“当以相近的分辨率观看时,两种截然不同的现象和物质竟能产生相似的景象,这真是太引人注目了。”——摘自论文“冥王星赤道的山上覆盖着由独特的大气活动产生的甲烷冰”

研究团队发现,冥王星的大气环流会使得甲烷在更高的海拔处富集。这种环流是季节性的,其动力来自星体表面的升华现象。论文作者们将其称为“由升华引导的环流圈”。随着甲烷的浓度越来越高,在达到饱和点后便以降雪的形式落在山脉表面。

冥王星有着白雪覆盖的山峰,但这是为什么?

这是该团队在研究过程中所做的模拟的一幅图像,展现了甲烷的日均混合比。黑线表示表面风,其作用是浓缩甲烷。右边的条状示意图中,红色代表在更高海拔上更高的甲烷浓度,并在山上形成霜冻。图源:贝特朗等人,2020年

这当中还有一个反馈循环。随着甲烷冰雪在山上成型,反射率由此增加,温度从而变得更低。而温度越低,甲烷雪也就越多。

冥王星有着白雪覆盖的山峰,但这是为什么?

研究中的这些图像显示了先前图像中的黄色区域就是堆积的甲烷冰山。棕色区域则是可自由挥发的地表地区,而灰色部分则是一层冻氮冰原如床单般覆盖在斯普特尼克号平原上。而从蓝色到白色区域显示的是正在逐渐形成的甲烷冰。 右图与先前模拟的相同,只不过增加了地面反照率的影响。这些图像均来自研究人员进行的气候

模拟,其中等高线是300米。图片来源:2020年,Bert等人提供。

“总的来说,根据我们的模型来看,冥王星上甲烷冰山的形成原理仿佛与地球的山顶上雪山覆盖的原理完全不同”,该团队发表了这个观点在他们的论文上,“但是值得关注的是,当我们用相同的分辨率时,两种完全不同的现象以及材料形成的景观却惊人的相似。”

而这只不过是再一次证实了冥王星的复杂性。在“新视野号“飞越过这颗矮行星之前,我们对那边的地表、大气、气候的复杂性是毫无所知的。时至今日,科学家们仍然对那次任务带回来的所有数据进行孜孜不倦地分析,因此仍有重大发现也未尝可知。

冥王星有着白雪覆盖的山峰,但这是为什么?

“新视野号”在飞过冥王星的近地点以后,回头拍摄了这张将近日落时候的照片,照片上显示了冰雪山脉以及被冰雪覆盖的平原。平坦而广阔的斯普特尼克号平原(右)的西边(左)正好是海拔高达11000英尺(3500米)的冰雪山脉。有人已经迫不急待地想要发射另外的一次冥王星飞行任务,而这次将用一个轨道飞行器,环绕冥王星运动。图片来源:NASA/JHUAPL/SwRI。

也有一些关于另外一次任务的说法,“新视野号“只是飞越了这颗冰矮星,因此它带回来的最佳数据被限制在这颗遥远的星球上的一侧。行星科学家Alan Stern 是新视野号任务的首席研究员,他认为下一步就是对冥王星发射轨道飞行器,我们甚至可以考虑安排一个着陆器在下一次的发射任务中。

原文链接:http://www.toutiao.com/a6903785701347951116

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