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如今我們能更明白地看到冥王星的復(fù)雜性，這都要歸功于美國國家航空與航天局（NASA）的航天器「新視野號」。2015年7月14號，新視野號進入矮行星的12,500公里（7,800英里）范圍內(nèi)。飛越新視野號的過程中捕捉描繪了冥王星的大氣及表面情況。

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新視野號看到的是一片白雪皚皚的山脈。

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在我們的地球上，氣溫隨海拔上升而下降，這是我們的山脈被積雪覆蓋的原因。但在冥王星上溫度的變化恰恰相反，由于太陽輻射，海拔越高溫度也越高。一定海拔高度的大氣層平均氣溫要比表面高幾十度。

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那又是為什么會有霜呢？

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該地區(qū)位于冥王星暗紅色赤道區(qū)域以南，其非正式名稱是克蘇魯區(qū)（Cthulhu?Regio），在廣闊的氮冰平原的西南部，該地區(qū)非正式地名是史波尼克高原（Sputnik?Planitia）。以上為北；在圖像的西部，一片明亮的山脈向北延伸到克蘇魯區(qū)里。新視野號的成分數(shù)據(jù)表明，山頂明亮的「雪」并不是水，而是在高海拔凝結(jié)成霜的大氣甲烷。

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圖片來源：美國國家航空與航天局/約翰·霍普金斯應(yīng)用物理實驗室/美國西南研究院

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由法國國家科學(xué)研究中心（CNRS）成員領(lǐng)導(dǎo)的一組研究人員在一項新研究中揭開了這個問題。研究標(biāo)題是「冥王星赤道山脈被獨特大氣過程所產(chǎn)生的甲烷霜所覆蓋」，主要作者是Tanguy?Bertrand，他目前是NASA?Ames研究中心的博士后研究員。該研究發(fā)表在《自然—通訊》上。

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新視野號在冥王星赤道的克蘇魯區(qū)中的Pigafetta?Montes和Elcano?Montes兩座山脈上發(fā)現(xiàn)了「雪」。但冥王星的雪不像地球的雪。它是冷凍的甲烷，而不是冷凍的水。但冥王星是一個寒冷世界，在稀薄的大氣層中只有很少的甲烷。那么山頂上的積雪又是如何形成的呢？

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冥王星上出現(xiàn)雪山，成因是何！/冥王星初雪，一起來看吧！

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??冥王星的地表有著很多不同尋常的地形地貌，它們都有著自己獨特的顏色，這些地形地貌將向我們徐徐講述一個復(fù)雜的地理學(xué)和氣候?qū)W方面的故事。（信息來源:?Courtesy?NASA?/?JHUAPL?/?SwRI?Table?of?Contents?page?2015?Annual?Report?Division:?(15)）

在地球上，由于絕熱冷卻的作用，溫度隨著海拔的升高而減小?？諝庵饾u向山坡上轉(zhuǎn)移，它慢慢擴散，導(dǎo)致了冷卻作用?？諝庀陆禃r，情況則剛好相反：空氣變得溫暖。當(dāng)潮濕的空氣上升并足夠冷時，它將被壓縮然后變成雪落下。這一現(xiàn)象在地球上是很好理解的，但是它卻不能解釋冥王星出現(xiàn)的雪。

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? 在地球上，溫度隨著海拔的升高而降低，約每100米降低1℃。冥王星上則是海拔越高越溫暖。但是在那，高海拔區(qū)域依舊存在著甲烷形成的霜雪。（信息來源：Tanguy?Bertand?et?al,.?2020）

這支隊伍使用了一個氣候模型去尋找山上落雪的成因。冥王星稀薄的大氣層主要由氮氣組成，并伴有微量的甲烷和二氧化碳。因此，冥王星山頂?shù)难┖茈y用這些微量的甲烷來解釋。

??通過用這種氣候模型，研究者確定，冥王星的大氣力學(xué)保證了甲烷始終聚集在較高海拔。而只有在山頂才有足以形成雪的甲烷。在較低海拔，只是沒有足夠的甲烷。

? 雖然冥王星沒有一個像地球一樣厚且隔離的大氣層，但這顆矮行星由于吸收太陽射線在較高海拔處變得溫暖，因為熱量被大氣層中的甲烷吸收了。這種現(xiàn)象僅僅在最初的海拔幾千米有效。甲烷吸收熱量的過程不會出現(xiàn)在表面有氮冰的地方，因為氮冰可以升華同時冷卻最初的海拔幾千米。

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? ? ?A）新地平線號探測器拍攝的冥王星克魯蘇地區(qū)東南部地圖，位于斯普特尼克平原赤道地區(qū)的西部。黃色的方塊表示這片區(qū)域的邊界，其細節(jié)見于（b）。

B）克魯蘇地區(qū)（東經(jīng)148.2°，南緯10.1°）皮加費塔山脈和埃爾卡諾山脈被甲烷冰覆蓋的山脊，通過可見多色成像相機（Ralph/MVIC）拍攝的增強彩色圖像（約6800米/每像素點，圓柱投影法）

C）阿爾卑斯山區(qū)被水冰覆蓋的山脈的衛(wèi)星照片

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冥王星的大氣層非常稀薄，無法為這顆行星的表面保溫。因此，當(dāng)?shù)乇砩蠜]有固體氮時，就會存在一種“局部輻射平衡”。這種平衡與海拔高度無關(guān)，而比它上方的大氣層溫度還要低。

其結(jié)果是，地表附近的空氣被冷卻，密度變得更大，因而始終有向下流動的趨勢。其他研究者所做的氣候模擬表明這種機制時時刻刻存在于整個冥王星上，這表明冥王星完全被下坡風(fēng)所支配。這就冥王星積雪的形式如此令人費解的原因。它與地球上的情況完全不同，地球上的空氣隨著上升而冷卻，然后將其中的水分以冰雪的形式沉積在山上。

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“當(dāng)以相近的分辨率觀看時，兩種截然不同的現(xiàn)象和物質(zhì)竟能產(chǎn)生相似的景象，這真是太引人注目了?！薄哉撐摹摆ね跣浅嗟赖纳缴细采w著由獨特的大氣活動產(chǎn)生的甲烷冰”

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研究團隊發(fā)現(xiàn)，冥王星的大氣環(huán)流會使得甲烷在更高的海拔處富集。這種環(huán)流是季節(jié)性的，其動力來自星體表面的升華現(xiàn)象。論文作者們將其稱為“由升華引導(dǎo)的環(huán)流圈”。隨著甲烷的濃度越來越高，在達到飽和點后便以降雪的形式落在山脈表面。

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? ? ?這是該團隊在研究過程中所做的模擬的一幅圖像，展現(xiàn)了甲烷的日均混合比。黑線表示表面風(fēng)，其作用是濃縮甲烷。右邊的條狀示意圖中，紅色代表在更高海拔上更高的甲烷濃度，并在山上形成霜凍。圖源：貝特朗等人，2020年

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這當(dāng)中還有一個反饋循環(huán)。隨著甲烷冰雪在山上成型，反射率由此增加，溫度從而變得更低。而溫度越低，甲烷雪也就越多。

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????研究中的這些圖像顯示了先前圖像中的黃色區(qū)域就是堆積的甲烷冰山。棕色區(qū)域則是可自由揮發(fā)的地表地區(qū)，而灰色部分則是一層凍氮冰原如床單般覆蓋在斯普特尼克號平原上。而從藍色到白色區(qū)域顯示的是正在逐漸形成的甲烷冰。?右圖與先前模擬的相同，只不過增加了地面反照率的影響。這些圖像均來自研究人員進行的氣候

模擬，其中等高線是300米。圖片來源：2020年，Bert等人提供。

????“總的來說，根據(jù)我們的模型來看，冥王星上甲烷冰山的形成原理仿佛與地球的山頂上雪山覆蓋的原理完全不同”，該團隊發(fā)表了這個觀點在他們的論文上，“但是值得關(guān)注的是，當(dāng)我們用相同的分辨率時，兩種完全不同的現(xiàn)象以及材料形成的景觀卻驚人的相似?！?/span>

而這只不過是再一次證實了冥王星的復(fù)雜性。在“新視野號“飛越過這顆矮行星之前，我們對那邊的地表、大氣、氣候的復(fù)雜性是毫無所知的。時至今日，科學(xué)家們?nèi)匀粚δ谴稳蝿?wù)帶回來的所有數(shù)據(jù)進行孜孜不倦地分析，因此仍有重大發(fā)現(xiàn)也未嘗可知。

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????“新視野號”在飛過冥王星的近地點以后，回頭拍攝了這張將近日落時候的照片，照片上顯示了冰雪山脈以及被冰雪覆蓋的平原。平坦而廣闊的斯普特尼克號平原（右）的西邊（左）正好是海拔高達11000英尺（3500米）的冰雪山脈。有人已經(jīng)迫不急待地想要發(fā)射另外的一次冥王星飛行任務(wù)，而這次將用一個軌道飛行器，環(huán)繞冥王星運動。圖片來源：NASA/JHUAPL/SwRI。

也有一些關(guān)于另外一次任務(wù)的說法，“新視野號“只是飛越了這顆冰矮星，因此它帶回來的最佳數(shù)據(jù)被限制在這顆遙遠的星球上的一側(cè)。行星科學(xué)家Alan?Stern?是新視野號任務(wù)的首席研究員，他認為下一步就是對冥王星發(fā)射軌道飛行器，我們甚至可以考慮安排一個著陸器在下一次的發(fā)射任務(wù)中。

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作者：EVAN GOUGH

FY：Astronomical volunteer team

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