冥王星上翻腾着一锅氮冰粥

来源:http://www.xmyssq.com 作者:www.js333.com 人气:51 发布时间:2019-05-02
摘要: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/JohnsHopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest ResearchInstitute 冥王星上的那颗“心”,已经成为这颗矮行星的标志。

www.js333.com 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

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。

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。

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。

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。

www.js333.com 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。

www.js333.com,“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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