【宇宙科普】冥王星表明詭異氣象,和地球截然相反,卻造就了相同的現象

天空之城 2020/10/24 檢舉 我要评论

整整90年前,美國天文學家湯博發現了冥王星這個距離我們遙遠的天體。到了85年後,美國的新地平線號探測器才在2015年7月14日成為了首個近距離探測冥王星的航天器,以12500公里的距離對冥王星進行了探測。

雖然它早就離開冥王星,繼續進行它的深空之旅,但新地平線號留下的觀測資料等資訊依然能夠給天文學家大量可供研究的內容。最近,在對冥王星表面的雪山進行研究的時候,他們發現了有趣的事情。和地球不一樣,冥王星的雪上並不完全是被水覆蓋的,其中大部分是固態的氮和甲烷。正是這些成分的不同,造就了冥王星獨特的雪山特徵。

(圖片說明:冥王星暗赤道帶南側,圖中覆蓋在冥王星山脈上的不是雪水,而是甲烷)

對於這些被冷凍的甲烷,美國宇航局艾姆斯研究中心的博士後研究員Tanguy Bertand非常感興趣,他在由法國國家科學研究中心(CNRS)成員領導的研究小組中參與了相關的研究,破解了其中的謎題。

作為距離太陽最遠的天體之一, 冥王星表面的平均溫度只有-223 ℃,僅比絕對零度高50℃。在這種溫度下,沸點為-161.5 ℃的甲烷凍結本不是稀奇事。不過,雖然冥王星擁有大氣層,但是極為稀薄。另一方面,冥王星的大氣層以氮氣為主,一氧化碳和甲烷的含量非常低。因此,僅僅憑藉著大氣層中的甲烷,是不足以解釋我們觀測到的冥王星表面的。在這種情況下,它是如何在自己的山脈上積累這麼多甲烷的呢?

在反復研究和分析之後,研究人員利用他們建立的氣候模型,解釋了這些被冰封的甲烷的來歷。

在地球上,隨著海拔的升高,溫度會越來越低,這是絕熱冷卻造成的結果。簡單描述就是: 隨著空氣越來越升高,由於氣壓減小,氣體體積也隨之膨脹,在這個過程中需要對外做功,最終在宏觀上就會表現為溫度的下降。我們平時看到的雲層、雨雪等氣象,也基本上都是在絕熱冷卻的原理下形成的。

但是,在冥王星上卻恰恰相反。如果你能登陸冥王星,當你爬山的時候,會發現越高的地方反而越溫暖。這是因為,冥王星沒有地球這樣的濃厚大氣層,因此越高的地方越能夠接收到太陽的輻射。與此同時,甲烷比氮氣輕,所以也普遍集中于高處。而甲烷又是溫室氣體,所以較高的位置上溫度也更高一些。

(圖片說明:新地平線號拍攝的冥王星克蘇魯地區)

在距離地表只有幾千米的位置,是固態氮經常昇華的位置,這也會帶走低海拔地區的熱量,增加兩個位置的溫差。

於是,和地球的風經常向上走截然相反,冥王星表面的空氣經常向下流動。研究人員的模擬表明,這種現象在整個冥王星上都非常常見,而是隨時隨地都在發生。相反的,地球上的氣體則是在高空遇冷凝結,所以我們的積雪都集中在山頂。

奇怪的是,雖然冥王星上的風和地球是相反的,但它的甲烷雪並沒有被冰封在低海拔地區,反而和地球一樣留在了山頂。這就非常奇怪,為何不同的機制卻造成了相同的結果呢?

研究團隊指出,在冥王星,甲烷經常集中在高海拔地區,形成了一種獨特的大氣迴圈。這種迴圈是隨季節而改變的,並且受到地表的昇華過程所驅動,他們把這種過程命名為"昇華誘導的迴圈單元"。當甲烷集中到了飽和點時,就會變成雪落在山上。

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