春分日出，大氣涌流，揭開卡戎紅色冰蓋神秘面紗

“大氣涌流“為卡戎披上紅色冰蓋

這是冥王星最大的衛(wèi)星，卡戎。自2015年新視野號(hào)飛掠冥王星系統(tǒng)以來，它的紅色冰蓋一直困擾著科學(xué)家們。身處外太陽系的極寒之下，為什么一個(gè)冰封世界的極冠會(huì)是紅色的？現(xiàn)在，科學(xué)家們認(rèn)為他們已經(jīng)找到了答案。

圖片來源：NASA/ JHUAPL/ 西南研究院（SWRI）

卡戎是冥王星的五個(gè)衛(wèi)星之中最大的一個(gè)。2015年，NASA的新視野號(hào)太空探測(cè)器飛越冥王星，第一次近距離觀測(cè)到了這個(gè)神秘的世界。這顆衛(wèi)星具有環(huán)形山和深邃的峽谷，還有一座看起來像是坐在船里的古怪的孤立山峰。除此之外，卡戎還有另一個(gè)奇怪的特征：一頂巨大的紅色“帽子”，坐落于它的北極。它像極了極地的冰冠，只是它是紅色的。2022年6月22日，來自得克薩斯州圣安東尼奧市西南研究院 (SwRI) 的科學(xué)家們宣稱他們已經(jīng)知道它的形成過程。

在他們的解釋中，卡戎稀薄大氣層中隨季節(jié)變化的“大氣涌流”與紫外輻射和甲烷一同塑造出了這些獨(dú)特的紅色印記。研究人員們?cè)趦善撐闹信读烁嚓P(guān)于他們發(fā)現(xiàn)的細(xì)節(jié)。

卡戎的紅帽子

來自新視野號(hào)的圖片第一次揭示了這個(gè)奇異的冰冠。在大致呈灰色的地表上，它看起來極其不尋常。蘭迪·格拉德斯通，新視野號(hào)科研團(tuán)隊(duì)的一員表示道：在新視野號(hào)之前，最好的哈勃望遠(yuǎn)鏡圖像中的冥王星也不過是一小團(tuán)模糊不清的反射光線。除了在冥王星表面發(fā)現(xiàn)的那些迷人的地貌之外，這次飛掠揭示了卡戎星上的一個(gè)非比尋常的特征——一個(gè)位于北極正中心的令人驚訝的紅色極冠。

所以，是什么造就了它？來自新視野號(hào)的數(shù)據(jù)表明它大概率由泛紅的托林組成。托林是一種具有粘性的有機(jī)沉淀物，源于光線催化下的化學(xué)反應(yīng)。根據(jù)理論，科學(xué)家們認(rèn)為它是甲烷分子在太陽紫外射線下分解的產(chǎn)物。這些分子源于冥王星，最終在卡戎的北極表面上結(jié)冰。對(duì)于卡戎而言，星際氫分子散射出的萊曼阿爾法波段紫外線提供了所需的光照條件。

卡戎星上的另一個(gè)奇怪的特征是一座山峰。這座形似山岳的尖頂坐落于一處低洼的中心。新視野號(hào)于2015年7月14日拍攝了這張照片。

圖片來源：NASA/ JHUAPL/ 西南研究院（SwRI）

大氣中的季節(jié)性涌流塑造出卡戎的紅色冰蓋

形成極冠的另一個(gè)關(guān)鍵因素是卡戎的大氣層。盡管極端的稀薄，它依然經(jīng)歷著季節(jié)的更替。發(fā)表于《地球物理研究通訊》的論文描述道：卡戎的外層大氣也許顯示出了極端的季節(jié)性活動(dòng)，在它靠近晝夜平分點(diǎn)時(shí)，持續(xù)數(shù)個(gè)世紀(jì)的寂靜不時(shí)地被短命的涌流（大約持續(xù)四個(gè)地球年）所打破——當(dāng)每?jī)赡暌欢鹊拇禾旖蹬R，日出使冰凍的甲烷脫離極地的永夜區(qū)。在漫長(zhǎng)的冬夜里，托林冰封在卡戎的表面上。

尤基瓦爾·蘭特，發(fā)布于《科學(xué)進(jìn)展》的論文的第一作者說道：我們的發(fā)現(xiàn)指出了卡戎單薄大氣層之中激烈的季節(jié)性涌流，與此同時(shí)，光線分解沉積的甲烷冰霜的過程是找到卡戎紅色極地冰蓋源頭的關(guān)鍵。這是迄今為止人們?cè)谔祗w上觀測(cè)到，最為明顯、最具說明性的地表-大氣間互動(dòng)的例子之一。

模擬卡戎星上的情景

為了找出可能形成紅色冰蓋的方式，研究人員們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里重現(xiàn)了卡戎地表的情形。實(shí)驗(yàn)在西南研究院新成立的天體物理與空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心（CLASSE）里進(jìn)行。研究團(tuán)隊(duì)的基本目標(biāo)是測(cè)量在萊曼-阿爾法波段的紫外線照射下，卡戎的冬季半球上形成并沉積的碳?xì)浠衔锏念伾统煞?。研究員們使用了全新的卡戎大氣模型來分析這些結(jié)果。

事實(shí)上，他們發(fā)現(xiàn)了甲烷在卡戎北極被轉(zhuǎn)化為類似于托林的沉淀物的證據(jù)。蘭特解釋說：“我們團(tuán)隊(duì)新穎的’動(dòng)態(tài)光分解’實(shí)驗(yàn)為星際間萊曼-阿爾法輻射對(duì)卡戎星上紅色物質(zhì)的合成所作的貢獻(xiàn)設(shè)下了新的極限。在我們的實(shí)驗(yàn)中，甲烷沉淀在一個(gè)高度真空的反應(yīng)室內(nèi)，暴露在萊曼-阿爾法光子的轟擊之下，以此高度還原卡戎極地的環(huán)境?！?/p>

新視野號(hào)觀測(cè)到的冥王星（左）和它最大的衛(wèi)星卡戎（右）。這張照片由新視野號(hào)于2015年七月13、14日拍到的照片堆疊而成。圖片來源：NASA/ 約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室/ 西南研究院(SwRI)

卡戎星的稀薄甲烷大氣

在另一個(gè)模型里，研究人員模擬了這顆衛(wèi)星單薄的甲烷大氣層。他們從中發(fā)現(xiàn)了季節(jié)性的涌流。本·提奧里斯，發(fā)布于《地球物理研究通訊》的論文的第一作者說道：“這個(gè)模型指向了卡戎大氣中’爆炸性的’季節(jié)脈動(dòng)，源于冥王星系統(tǒng)環(huán)繞太陽的漫長(zhǎng)旅程中，環(huán)境狀況的劇烈轉(zhuǎn)變。”

甲烷與乙烷

當(dāng)卡戎北極的甲烷沉積物被分解，作為副產(chǎn)物，它們會(huì)釋放出乙烷。乙烷本身是無色的，然而科學(xué)家們表示，在卡戎星上，來自太陽風(fēng)的電離輻射會(huì)把它變成紅色的。與此同時(shí)，乙烷保持凍結(jié)的時(shí)間長(zhǎng)于甲烷。

蘭特說道：“我們認(rèn)為來自太陽風(fēng)的電離輻射會(huì)分解那些經(jīng)受了萊曼-阿爾法輻射的極地冰霜，合成了更加復(fù)雜也更紅的物質(zhì)，由此造就了這顆神秘衛(wèi)星上奇特的反射率。乙烷比甲烷更不容易汽化，春季日出后的很長(zhǎng)一段時(shí)間里，它們依然被冰封在卡戎的地面上。暴露在太陽風(fēng)之下，也許會(huì)使乙烷轉(zhuǎn)化為持久的紅色地表沉積物，構(gòu)成卡戎的紅色冰蓋“

來自西南研究院的本·提奧里斯是發(fā)布于《地球物理研究通訊》的論文的第一作者。圖片來源：西南研究院

來自西南研究院的尤基瓦爾·蘭特是發(fā)布于《科學(xué)進(jìn)展》的論文的第一作者。圖片來源：西南研究院（SWRI）

來自于《地球物理研究通訊》的論文：

乙烷，甲烷在這些光照狀況下反應(yīng)的初級(jí)產(chǎn)物，也許不像甲烷那樣。它們也許會(huì)在極地的太陽升起、暴露于太陽風(fēng)后，保持?jǐn)?shù)十年的冰封狀態(tài)。極地乙烷在太陽風(fēng)下的分解反應(yīng)會(huì)合成更高階的耐火材料，它們或許會(huì)為卡戎北極地區(qū)的著色做出貢獻(xiàn)。

現(xiàn)在看來，科學(xué)家們幾乎已經(jīng)解開了卡戎明亮極冠的奧秘。然而，那座陷在護(hù)城河般的洼地里的山峰依然需要更多的解釋。

底線：自2015年被觀測(cè)到以來，冥王星的衛(wèi)星卡戎上的奇異紅色極冠一直困擾著科學(xué)家們。現(xiàn)在，研究人員們也許解開了卡戎紅色冰蓋的謎底。

BY:Paul Scott Andersonand

FY: 奈亞拉托離譜

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