冥王星上翻腾着一锅氮冰粥

张立局飞

本文作者:艾麦乐
                    

冥王星上翻腾着一锅氮冰粥

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
+ B& T, y7 w, J* E5 u. Q4 q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。
. H( Q8 {  x( ]0 H9 ?- C! e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。
9 T" e+ k& Z4 i# G) v* x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。
& ?- n! C/ _/ C% V, T' N% f“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。
: C8 d" h# P; a6 L3 z3 R, m# D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。

冥王星上翻腾着一锅氮冰粥

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。
/ t  l% ^& T! T9 p. C4 d6 J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。
! M- A) M/ S* q* P4 G) `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。”
参考文献

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