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【前沿報道】Nature Geoscience:冥王星存在海洋源于氣體水合物隔熱層
2019-06-20 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  很多含冰的太陽系天體內部可能存在液態水海洋,其中就包括冥王星。在冥王星的表面存在一個由氮冰組成、約1000 km寬的斯普特尼克平原(Sputnik Planitia)(圖1),其與冥王星的潮汐軸對齊并在此區域存在正重力異常。學者認為斯普特尼克平原積聚的氮冰以及地下液態水海洋是造成冥王星潮汐軸朝向和重力異常的原因(Nimmo et al., 2016)。 

1  冥王星的斯普特尼克平原(Sputnik Planitia),由NASA新地平線號飛船于20157月拍攝    

  為了保持地下液態水海洋(subsurface ocean),冥王星內部必須有足夠的熱能或者高濃度的抗凍分子來維持。對此問題,學者展開研究。Robuchon and Nimmo2011)發現潮汐力和放射性輻射均不足以提供所需的熱量。Robuchon et al.2016)提出冥王星內部可能存在一個由高孔隙度高濃度氮冰組成的隔熱層。但是,這個猜測無法成立,因為氮冰的粘度太低,粘性流動會使得隔熱層厚度大大降低,從而失去隔熱作用。另外,存在高濃度的氨(>30 wt%)以及高粘度物質(鹽或者硅酸鹽)的可能性亦被排除(Kamata et al., 2019)。 

  近日,日本北海道大學Shunichi Kamata et al.2019)在Nature Geoscience上發表研究成果,提出了一種新的解釋。他們認為冥王星的冰殼下方存在一個由氣體水合物構成的隔熱層。氣體水合物是由氣體構成的冰狀固體,其中氣體分子被禁錮在分子水的籠子中。氣體水合物在冥王星內部壓力條件下,能夠在高于冰點的溫度下形成,并且其熱導率比水冰小5-10倍,其粘度比水冰高約一個數量級。正因為氣體水合物層能夠在形成水冰之前先形成,同時其高粘度和低熱導率隔絕了熱量的進一步損失,從而能夠保證液態海洋的存在(圖2)。 

 

2  冥王星內部結構簡圖

  同時,Kamata等也開展了冥王星內部熱演化的計算模擬,他們指出如果沒有氣體水合物,冥王星的地下海洋在幾億年前就已經凍結了(圖3a),而添加這個隔熱層后,這個液態海洋可以一直存在到今天(圖3b)。 

    

3  冥王星內部熱演化的模擬結果    

  許多氣體分子,如甲烷、氮氣、一氧化碳、二氧化碳、氫氣等都會形成氣體水合物。在這些分子中甲烷和二氧化碳更易進入水合物相(Sloan, 2003)。冥王星大氣中甲烷和一氧化碳的含量都很低,可能是因為在星體形成初期,這些氣體分子在液態海洋、冰殼和大氣之間已經完成分配,進入了水合物相并存在于冥王星內部。雖然二氧化碳在星體形成初期可能大量存在,但是由于二氧化碳水合物的密度大,很難漂浮于水表面,因此不應該是冥王星水合物中主要的氣體分子。這些原生的二氧化碳也可能通過化學反應轉化為甲烷(如在Fe-Ni存在時的催化反應)。同時,冥王星內部也可能存在有機物,在演化的過程中這些有機物會分解生成甲烷和氮氣等來補充液態海洋中的氣體物質,從而使得水合物層不斷生長。 

  冥王星內部可能存在水合物層,而前文中的這些氣體不僅在冥王星,在許多其他天體上都有廣泛分布。所以,這會不會造成很多其他星球內部存在液態海洋呢? 

    

  主要參考文獻 

  Hammond N P, Barr A C, Parmentier E M. Recent tectonic activity on Pluto driven by phase changes in the ice shell[J]. Geophysical Research Letters, 2016, 43(13): 6775-6782.原文鏈接 

  Kamata S, Nimmo F, Sekine Y, et al. Pluto’s ocean is capped and insulated by gas hydrates[J]. Nature Geoscience, 2019, 12: 407–410.原文鏈接 

  Le Roy L, Altwegg K, Balsiger H, et al. Inventory of the volatiles on comet 67P/Churyumov-Gerasimenko from Rosetta/ROSINA[J]. Astronomy & Astrophysics, 2015, 583: A1. 

  Nimmo F , Hamilton D P , Mckinnon W B , et al. Reorientation of Sputnik Planitia implies a subsurface ocean on Pluto [J]. Nature, 2016, 540(7631):94-96.原文鏈接 

  Robuchon G , Nimmo F . Thermal evolution of Pluto and implications for surface tectonics and a subsurface ocean[J]. Icarus, 2011, 216(2):426-439.原文鏈接 

  Sloan E D. Fundamental principles and applications of natural gas hydrates[J]. Nature, 2003, 426(6964): 353-359.原文鏈接 

  (撰稿:張正財/油氣室,郭光軍/地星室)

 
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