地球和冥王星没有太多共同之处。地球是一个充满活力、生机勃勃的世界,而冥王星却是一个冰冷、遥远、毫无生气的星球。但是它们有一个共同点就是氮。地球大气中的氮含量约为78%,冥王星大气中的主要成分也是氮,不过具体比例还不清楚。
在冥王星,其表面温度大约是42开尔文(-231摄氏度),其中大部分氮是冻结的。一项新的研究表明,冥王星的冰冻氮推动了行星的风,并塑造了它的表面特征。
在美国宇航局的“新视野”号飞船抵达冥王星之前,我们对这颗行星的表面特征了解不多。2015年7月,当宇宙飞船抵达冥王星时,我们都惊讶地发现,冥王星比我们想象的要活跃得多。这也是我们第一次看到汤姆堡区域,一个在行星表面的大的、浅色区域。
不管怎样,对人类的眼睛来说,汤姆堡地区是一个非常奇怪的地方。它有两个巨大的裂片,使它看起来像一个心脏,天文学家有时称之为“冥王星的心脏”。西面的裂片被称为“斯普特尼克平原”,它有6200米高的山脉:由水冰构成,还有一个覆盖着氮冰的广阔平原。
一篇新论文称,斯普特尼克平原上的大量氮沉积物推动了冥王星的风,并塑造了冥王星的表面。这篇论文的题目是“冥王星跳动的心脏调节大气循环:高分辨率和多年数值气候模拟的结果”。该研究结果发表在《地球物理研究杂志》上。第一作者是坦基·伯特兰,他是美国宇航局埃姆斯研究中心的天体物理学家和行星科学家。
冥王星稀薄的大气大部分是氮气,也有少量的二氧化碳和甲烷。斯普特尼克行星上有大量的冷冻氮,在白天,温度上升到足以使其升华,变成蒸气。到了晚上,这一过程发生逆转,氮再次冻结,落到地表。每一次循环重复,它就像一个泵,或一次“心跳”,泵氮风环绕星球。
风的流动方向与行星的自转方向相反,这可能是造成行星表面异常特征的原因。当稀薄的、富含氮的风沿着地表吹来时,它将热量、冰粒和雾霾颗粒输送到北部和西北部地区,形成黑暗的风纹和平原。
斯普特尼克平原区域,即冥王星心脏的左叶,比地球上其他部分的高度低,并且它含有大部分的氮。人造卫星是一个1000公里(620英里)的冰原,位于一个3公里(1.9英里)深的盆地中。右肺大部分是高原和氮冰川。
在飞船抵达冥王星之前,所有人都认为冥王星为一个球体——完全平坦,几乎没有多样性。但这完全不是这样的,它有很多不同的景观,科学家正试图了解那里的情况。
把冥王星的大气层描述为稀薄是一种轻描淡写的说法。它的大气其实比地球薄10万倍。那么,在一个如此薄的大气中,风是如何塑造这片土地的呢?伯特兰的团队从冥王星的新视野飞行中获取数据,然后建立一个天气预报模型来模拟氮风。
研究小组发现,4公里(2.5英里)以上的风是向西吹的,这与冥王星的自转方向相反。当汤姆堡地区的冰冻氮在北部升华成蒸汽,然后在南部再次变成冰时,这种运动触发了西风。这种情况在我们的太阳系中很可能是独一无二的。
研究人员还发现了另一股气流。这是一个强大的,接近表面快速移动的风。它沿着斯普特尼克平原盆地的西部边缘吹。地球上也有类似的风模式,它们遵循着地形的轮廓。
根据这项研究,风是由凝结成冰的氮气蒸汽驱动的。斯普特尼克平原的高海拔悬崖峭壁将冷空气困在盆地内。当它在那里循环时,它变得更强。
如果冥王星的氮心跳驱动着这些风,它们可能解释了斯普特尼克平原以西的风条纹和黑暗平原。如果风带来足够的热量来温暖地表,那可能会导致条纹和平原。或者它会沉积薄雾颗粒,使冰变暗并被侵蚀。
冥王星上最“著名的特征”可能是刀片状地形。刀片状的地形是一片摩天大楼大小、参差不齐的土地,主要由甲烷冰构成。它们在赤道附近的高海拔地区被发现。它们可能是冥王星跳动的氮气心脏的产物吗?
目前看来,还不确定这些氮风是否会造成叶片地形。但研究小组打算尝试找出答案。今后,科学家计划利用高分辨率长期GCM模拟,进一步探索这些想法,并研究导致这些纵向不对称和特殊地质构造的过程。