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冥王星上翻腾着一锅氮冰粥,研究揭示冥王星表面多边形由来

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新研究表示,矮行星冥王星冰面上发现的奇怪的多边形可能是几千米厚的固态氮气层之间对流的结果。日前发表在杂志上的两篇论文显示冥王星赤道地区巨大的椭圆形盆地,被称为史波尼克高原,充满了主要由氮气形成的冰,这些冰形成了厚度为10千米到40千米的多边形,中心区域比边缘高出几十米。为了解释该地形的由来,研究人员提出了热胀冷缩和对流两种机制。

科学 1斯普特尼克平原构成了冥王星“心”形图案的左半边。图片来源:NASA/Johns
Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research
Institute

美国华盛顿大学William
McKinnon团队在近日发表于《自然》的研究中揭示,新视野号航天器的测量数据显示,当氮冰的厚度超过1千米时,必须要通过对流才能解释冥王星的热力学流动条件。研究通过数值模拟发现,对流产生的翻转可以解释多边形的巨大横向宽度和史波尼克高原表面冰层的纵向移动速度。研究估计每过50万年,整个地区的表面就会完全更新一次。研究人员表示,类似的让冰层不断更新的对流过程可能也发生在其他柯伊伯带的行星上。柯伊伯带是海王星轨道以外的一个圆盘状区域,普遍认为含有彗星、小行星和其他含冰的天体。

冥王星上的那颗“心”,已经成为这颗矮行星的标志。“心”的左半边,被非正式命名为斯普特尼克平原(Sputnik
Planum)。最近,科学家提出了这样一个观点,这片平原其实是一片“海”,一片有冰山飘浮在其中的氮冰海——这或许可以解释斯普特尼克平原奇特的地貌。

在另一篇发表于《自然》的研究中,普度大学Alexander
Trowbridge团队使用史波尼克高原上的氮冰数值模型,也得出了冥王星在发生有力的对流现象。另外,氮冰中缺乏脆性变形的特征也不符合热胀冷缩的解释。

新视野号发回的冥王星清晰照片展现了这一区域独特的地貌:氮冰大量堆积在这里,表面被分隔成一块块凹凸不平的不规则多边形,多边形的中央处最厚,向外凸起,边缘处则向下凹陷。美国普渡大学的科学家提出,这些多边形可能是一个个瑞利-贝纳尔对流元胞。描述相关研究的论文今天(6月2日)在线发表在《自然》(Nature)杂志上。

在发表于《自然—地球科学》的评论中,休斯敦月球与行星研究所Paul
Schenk和Francis
Nimmo写道,“冥王星和卡戎告诉人们,行星上的过程总是类似的,无论你在太阳系的什么地方。”

普渡大学的研究生亚历山大·特罗布里奇(Alex
Trowbridge)在地球、大气及行星科学教授杰伊·梅洛许(Jay
Melosh)的指导下领导了这项研究。

“证据表明,这片平原可能是挥发性氮冰构成的一片正在翻腾的海洋。”梅洛许说,“设想一锅麦片粥正在炉火上沸腾;受到加热的麦片粥会上浮到表面,而冷却下来的麦片粥又会被推挤下沉,但你不会看到整锅的麦片粥因此只翻腾起一个大泡泡;这一过程会在小范围内发生,遍布在热锅的各自,在麦片粥的表面产生出不规则的多边形图案,就像我们在冥王星表面看到的一样。当然,在冥王星上,这一过程并不迅速,每个对流元胞的翻转速度每年可能只有2厘米。”

冥王星的表面似乎主要由极其寒冷的水冰构成。然而,在斯普特尼克平原地区,冰质地表下凹构成盆地,使得氮冰在此处堆积成池。特罗布里奇说,不论是水还是氮,在冥王星的极寒温度下都凝成了固体,不过氮冰结构松散,拥有较低的粘性,使得它可以像流体一样变形和流动,水冰则粘性极高,能够形成坚硬而高耸的山峰。

“在这一池的氮冰之中,也存在一些水冰山峰,被聚集在多边形的边缘。”特罗布里奇说,“这些山峰聚集的方式表明,它们会在氮冰海洋中漂浮,随着对流过程而移动,就像地球上的冰山一样。如果这一情况属实,我们就能计算出这池氮冰必须要有多深,才能让这些冰山自由漂浮而不至于触底。”

他表示,斯普特尼克平原表面的多边形图案还能透露这池氮冰的深度,因为单个对流元胞的宽度和深度比例都是已知的。

科学,观测数据显示,这些多边形图案通常宽约20到30千米。假设冰山的整体形状为球形,并且只有山尖能够露出表面,研究团队据此计算出氮冰池的最小深度至少为5千米。而依据氮冰对流元胞的宽深比来计算,氮冰池的深度大约为10千米。

科学 2新视野号发回的斯普特尼克平原细节照片,可以清晰看到表面的不规则多边形图案。这些图案可能是由氮冰中的热对流形成的。图片来源:NASA/Johns
Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research
Institute

研究团队还计算了氮冰层的瑞利数(Rayleigh
number),这是一个与对流相关的物理参数。他们发现,这一数值比启动对流所需的临界值高出10000多倍。这意味着对流很容易发生,哪怕是在冥王星上平均气温不到-180℃的极寒环境中。

梅洛许补充说,这种对流还能够解释冥王星这一区域的表面为什么会如此年轻。

对流产生的翻转会抹平撞击坑,翻新冥王星这一区域的地表,这与新视野号提供的数据是吻合的。按照观测数据,斯普特尼克平原地表的年龄估计不超过1000万年,在地质学上算得上非常年轻,暗示这里的地表有着大量的地质活动。然而,梅洛许说,他们提出的对流模型表明,斯普特尼克平原氮冰池表面的年龄还要更加年轻,大约只有100万年。

“许多人原本预期,冥王星是一颗寒冷而又死寂的星球。”梅洛许说,“通过新视野号任务,我们发现冥王星这样的寒冷星球有着完全不同的一类地质活动,涉及到我们通常看作是气体的一些物质。这些认识提供了一个全新的视角,即寒冷的星球也可以像我们的地球一样活跃和有趣。”(编辑:Steed)

参考文献

  1. Nature 534, 79–81 (02 June
    2016)|doi:10.1038/nature18016

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