冥王星 has Snowcapped Mountains, But Why?

我们可以感谢美国宇航局’的“新视野”太空船使我们向冥王星张开了眼睛’的复杂性。 2015年7月14日,航天器进入12,500内 km (7,800 mi)。在飞越过程中,新视野能够描绘冥王星’的大气层及其表面。

新视野号看到的是一片雪山山脉。

在地球上,您走得越高,就越冷,这解释了我们白雪皑皑的山脉。但是在冥王星上’s是温度反演,这意味着’与地球相反:您走得越高,就越温暖。它’是因为太阳辐射。海拔高度的平均大气温度比其表面高几十度。

那为什么会有霜呢?

该地区位于冥王星的暗赤道带以南,非正式地称为克苏鲁雷吉奥,而在广阔的氮冰平原的西南,非正式地名为Sputnik Planitia。北部在顶部;在图像的西部,一连串明亮的山脉向北延伸到Cthulhu Regio。 New Horizo​​ns的成分数据表明,覆盖这些山脉的明亮雪帽材料不是水,而是在高海拔时凝结成霜状的大气甲烷。图片提供:NASA /约翰霍普金斯大学应用物理实验室/西南研究所。
该地区在冥王星以南’暗赤道带的非正式名称为克苏鲁雷焦(Cthulhu Regio),而广阔的​​氮冰平原西南部的非正式名称为Sputnik Planitia。北部在顶部;在图像的西部,一连串明亮的山脉向北延伸到Cthulhu Regio。新视野的成分数据表明,覆盖这些山脉的明亮的雪帽材料没有’t是水,但大气中的甲烷已作为霜凝结在高海拔的这些表面上。图片提供:NASA /约翰霍普金斯大学应用物理实验室/西南研究所。

由CNRS(法国国家科学研究中心或法国国家科学研究中心)成员领导的一组研究人员在一项新研究中解决了这个问题。标题是“Equatorial 山脉 on 冥王星 are covered 通过 methane frosts resulting from a unique atmospheric process.”主要作者是Tanguy Bertand,他目前是NASA Ames研究中心的NASA博士后研究员。该研究发表在《自然通讯》上。 

新视野 found 雪 on Pigafetta Montes and Elcano Montes, located in 冥王星’s 克苏鲁·黄斑 地球上的区域’s equator. 冥王星’雪不像地球’s 雪; it’是冷冻甲烷,而不是冷冻水。但是冥王星’一个寒冷的世界,气氛微弱,那里’在非常稀薄的大气中只有很少的甲烷。山顶上的积雪是如何形成的?

冥王星的表面运动着多种多样的地貌,它们具有自己独特的颜色,讲述了一个复杂的地质和气候故事。图片来源:NASA / JHUAPL / SwRI目录表2015年年度报告部门:(15)
冥王星的表面运动着多种多样的地貌,它们具有自己独特的颜色,讲述了一个复杂的地质和气候故事。图片来源:NASA / JHUAPL / SwRI目录表2015年年度报告部门:(15)

在地球上,温度随着海拔的升高而降低 绝热冷却。随着空气沿着山坡向上移动,空气膨胀,从而导致冷却。空气下降时情况正好相反:空气变暖。当潮湿的空气上升并且足够凉爽时,它会像雪一样凝结并落下。它’在地球上是一个很好理解的现象,但是它可以’t explain 冥王星’s 雪.

在地球上,温度随高度降低,每100米降低约1摄氏度。在冥王星上,海拔较高时会变暖。然而在冥王星上,高海拔地区仍然有甲烷霜冻或积雪。图片提供:Tanguy Bertand等。 2020年。
在地球上,温度随高度降低,每100米降低约1摄氏度。在冥王星上’海拔较高时会变暖。然而在冥王星上’在高海拔地区仍然有甲烷霜冻或积雪。图片提供:Tanguy Bertand等。 2020年。

该团队使用一种气候模型来找出甲烷雪如何落在山上。 冥王星’s thin atmosphere 主要是氮,微量的甲烷和一氧化碳。仅含微量甲烷,’很难解释所有的积雪。

通过使用气候模型,研究人员确定了冥王星的动力学’大气层将甲烷浓缩在更高的高度。只有在山顶,才有足够的甲烷形成雪。在较低的高度,根本没有’t enough methane.

由于冥王星没有’像地球一样,它拥有厚厚的绝缘气氛,由于热量被大气中的甲烷吸收,由于太阳辐射,矮行星在更高的高度会变暖。这对海拔的最初几公里有效。甲烷吸收热量的过程没有’发生在有’表面上的氮气冰,因为它可以升华并冷却大气中最初几公里的高度。

A)冥王星东南克苏鲁地区的新视野地图,位于Sputnik Planitia以西的赤道地区。黄色框表示在(b)中详细看到的区域边界。 B)在增强的Ralph / MVIC彩色图像(680?m /像素,圆柱投影)中看到的Cthulhu Macula(148.2°E,10.1°S)内Pigafetta和Elcano Montes的CH4霜冻山脊的细节。 C)阿尔卑斯山水冰覆盖的山脉的卫星视图。

冥王星’大气太稀薄,无法加热地球’的表面,所以在那里’表面没有冻结的氮气’s a “局部辐射平衡。”这种平衡与高度无关,’比它上面的大气还冷

结果,地表附近的空气被冷却,变得更浓密,并希望一直向下流动。其他研究人员进行的气候模拟表明,这种机制存在于整个冥王星中,并且在每天的任何时候都存在。结果是冥王星受下坡风的支配。那’这就是为什么它的积雪如此令人费解。它’与地球完全不同,在地球上,空气随着上升而冷却,并将水分像雪一样沉积在山上。

“值得注意的是,当以相似的分辨率观看时,两种现象和两种材料如此不同,它们可以产生相同的景观。”

从“Equatorial 山脉 on 冥王星 are covered 通过 methane frosts resulting from a unique atmospheric process”

研究人员小组发现冥王星’大气以甲烷在较高高度集中的方式循环。这种循环是季节性的,并受表面升华的驱动。作者将此称为“升华诱导的循环细胞。”随着甲烷浓度的升高,它达到饱和点并像雪一样落在山脉表面。

这是团队在研究中进行的模拟中的图像。它显示了甲烷的日平均混合比。黑线代表表面风,其作用是浓缩甲烷。如右图所示,红色代表更高海拔地区的甲烷浓度更高,在山区可能会形成霜冻。图片来源:Bertand等人,2020年。
这是团队在研究中进行的模拟中的图像。它显示了甲烷的日平均混合比。黑线代表表面风,其作用是浓缩甲烷。如右图所示,红色代表更高海拔上更高的甲烷浓度,在山上形成霜冻。图片来源:Bertand等人,2020年。

那里’也涉及一个反馈循环。随着山上甲烷雪的形成,它增加了反照率,导致更多的降温。随着更多的冷却,会有更多的甲烷雪。

该研究的这些图像显示了在上一个图像中以黄色突出显示的区域中的甲烷雪积聚。棕色是无挥发的表面积,灰色是人造卫星Planitia中的冷冻氮气冰盖。从蓝色到白色表明甲烷冰的积累在增加。右边的图像是相同的模拟,但是反照率影响增加。这些图像来自研究人员进行的气候模拟。等高线为300m。图片来源:Bertand等人,2020年。
该研究的这些图像显示了在上一个图像中以黄色突出显示的区域中的甲烷雪积聚。棕色是无挥发的表面积,灰色是人造卫星Planitia中的冷冻氮气冰盖。从蓝色到白色表明甲烷冰的积累在增加。右边的图像是相同的模拟,但是反照率影响增加。这些图像来自研究人员进行的气候模拟。等高线为300m。图片来源:Bertand等人,2020年。

“总体而言,CH的形成4 根据我们的模型,冥王星山顶上的霜冻似乎是由与地球上形成雪山的山峰完全不同的过程驱动的,”该团队在论文结论中写道。“值得注意的是,当以相似的分辨率观看时,两种现象和两种材料如此不同,它们可以产生相同的景观。”

这只是冥王星的另一个例子’的复杂性。在新视野掠过矮行星之前,我们不知道地表,大气和气候是如此复杂。科学家仍在处理任务中的所有数据,因此谁知道仍在等待发现什么。

在最接近冥王星的位置之后,新视野号回头看向地球,并捕捉了崎,不平的冰山和平坦的冰原的接近日落的景色。人造卫星普朗蒂亚(Sputnik Planitia)的广阔地带(右侧)两侧是高达11,000英尺(3,500 m)高的崎mountains山脉。有些人想向冥王星发送另一个任务,这次是轨道飞行器。图片来源:NASA / JHUAPL / SwRI
在最接近冥王星的位置之后,新视野号回头看向地球,并捕捉了崎,不平的冰山和平坦的冰原的接近日落的景色。人造卫星普朗蒂亚(Sputnik Planitia)的广阔地带(右侧)两侧是高达11,000英尺(3,500 m)高的崎mountains山脉。有些人想向冥王星发送另一个任务,这次是轨道飞行器。图片来源:NASA / JHUAPL / SwRI 

那里’还谈到了另一个任务。新视野号只进行了冰矮星的掠过,因此其最佳数据仅限于遥远世界的一侧。行星科学家艾伦·斯特恩(Alan Stern)是“新视野”计划的首席研究员,他认为 轨道飞行任务 to 冥王星 is the next step. A lander could also be part of that mission.

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