Как сердце Плутона превратилось в лед

Благодаря климатической модели французские ученые выяснили, как образовались ледники на так называемом «сердце Плутона». Исследование было опубликовано в журнале Nature.

Плутон – карликовая планета в Солнечной системе. По сравнению с орбитами других планет орбита Плутона имеет больший эксцентриситет (то есть она немного «растянута») и наклонена к плоскости эклиптики. Благодаря такой орбите карликовая планета иногда пересекает орбиту Нептуна и становится ближе к Солнцу, чем Нептун. Максимальное расстояние, на которое Плутон приближается к Солнцу – 4,4 млрд км. Один оборот карликовой планеты вокруг Солнца занимает 248 земных лет.

В июле 2015 года мир увидел самое качественное на сегодняшний день изображение Плутона, сделанное с помощью инструмента LORRI (Long Range Reconnaissance Imager), когда станция New Horizons находилась на расстоянии 768 тыс.км от поверхности карликовой планеты.

Однако наибольший интерес у исследователей вызвало так называемое «сердце Плутона» (иначе – область Томбо, в честь открывшего планету Клайда Томбо) – область на планете шириной около 1600 км, очертания которой напоминают сердце. Область разделена на два геологически обособленных участка – западный и восточный.

На данный момент известно, что в этой области находится ледяная Равнина Спутника, названная в честь первого искусственного спутника Земли. Глубина равнины – четыре километра, длина составляет около тысячи километров, ширина – порядка восьмисот. На Равнине Спутника находится массивный ледник, состоящий в основном из замерзшего азота, окиси углерода и метана.

Ранее считалось, что область формирования ледника была связана с недрами области Томбо. Согласно другой гипотезе, причиной возникновения ледника стали впадины, в которых собирались летучие вещества со всей поверхности планеты. Однако тонкие отложения замерзшего азота были найдены не только в районе Равнины Спутника, но и в среднесеверных широтах планеты. Также было обнаружено, что, за исключением более темных экваториальных необледеневших регионов, большую часть планеты покрывает лед из метана.

Чтобы понять, как образовался ледник на Равнине Спутника, французские ученые из Университета Пьера и Марии Кюри Танги Бертран и Франсуа Форже смоделировали химические процессы, которые происходили в ледяных отложениях на Плутоне на протяжении 50 тыс. земных лет. Также специалисты изучили количество газов в атмосфере планеты, климатические изменения и исследовали топографические данные с помощью изображений, полученных благодаря космическому зонду New Horizons и телескопу Hubble.

На начальном этапе симуляции ученые полностью «покрыли» модель Плутона равным количеством каждого типа льда. Далее планете «позволили» изменяться на протяжении 50 тысяч земных лет. Появление льда, происходившее каждый год, зависело от ряда ключевых параметров: топографии, альбедо (коэффициент отражения какой-либо поверхности) и излучательной способности льда, общего объема его запасов, а также теплопроводности приповерхностных и глубоко залегающих горизонтов, от которой зависит суточная и сезонная тепловая инерция (способность сопротивляться изменению температуры за определённое время).

Также результаты моделирования выявили, что поверхность средних и высоких широт Плутона в зависимости от сезона покрывает замерзший метан и, в некоторых случаях, азот. Это объясняет, почему в северной полярной области планеты находятся светлые участки.

Ученые выяснили, что геологическая активность в районе Равнины Спутника не прекращается, и важную роль в ней играет именно сезонная тепловая инерция. Из-за высокой тепловой инерции на равнине формируются толстые слои азотного ледника, а приповерхностное давление за время наблюдений с 1988 год по 2015 увеличилось втрое. Это можно объяснить тем, что в рассматриваемый период ближайшая к Солнцу точка планеты, где лучи Солнца падают точно перпендикулярно поверхности Плутона, располагалась на широтах равнины Спутника, а инсоляция ледяного азота – облучение солнечным светом, – была практически максимальной.

Согласно результатам моделирования, ледяной азот оказался «захвачен» Равниной Спутника, когда своих наивысших значений достигли тепловая инерция, альбедо и излучательная способность. В течение холодной части плутонианского года из-за снижения тепловой инерции температура на поверхности планеты падала до точки конденсации азота, поэтому там и скапливался лед. Ученые пришли к выводу, что чем ниже уровень тепловой инерции, альбедо и излучательной способности льда, тем более подвижным становится лед. Это приводит к более длительным и масштабным сезонным заморозкам.

Также выяснилось, что замерзший азот не образует постоянный ледяной «пояс». Дело в том, что впадины на равнине способствуют более высокому поверхностному давлению, и, таким образом, влияют на более высокую температуру конденсации, вследствие чего лед скапливается именно в них. Такое явление можно наблюдать и на Марсе, где замерзший углекислый газ обычно формируется в низинах, таких, например, как равнина Эллада. На этой равнине, достаточно глубокой низменности, также встречаются разные формы рельефа, а толщина атмосферы над ней существенно больше, чем над соседними областями.

Атмосферное давление в её нижней точке — 1240 Па или 12,4 миллибара, что вдвое выше, чем в среднем по поверхности планеты. Зимой на Марсе эта равнина покрывается ледяной коркой и видна с Земли как большое светлое пятно. Считается, что поскольку давление на дне равнины Эллада выше давления, соответствующего тройной точке воды (определенных значениях температуры и давления, при которых вода существует в трех видах: твердом, жидком и газообразном), там возможно существование жидкой воды.

Согласно результатам моделирования, после 2015 года среднее давление снизилось, так как инсоляция на равнине сократилась. Это произошло потому, что сначала подсолнечная точка (точка на теле, принадлежащем Солнечной системе, из которой наблюдатели видели бы Солнце в зените) находилась на более высоких широтах, а позже – из-за того, что Плутон ушел дальше от Солнца. При таких условиях, а также умеренной и высокой уровнях тепловой инерции окись углерода накапливается вместе с ледяным азотом именно на равнине Спутника, что также сходится с данными аппарата New Horizons.

Что касается метана, то он, в отличие от азота, менее летуч. Спустя 50 тысяч лет образуется сезонная ледяная корка из метана, которая получается из атмосферного метана в результате взаимодействия процессов сжатия и испарения. Согласно модели, эта корка образуется в обоих полушариях планеты осенью, зимой и весной, однако отсутствует в районе экватора, где льда никогда не бывает. На равнине Спутника метан осаждается медленно и с трудом оттуда испаряется.

По мнению специалистов, в действительности замерзший метан, возможно, оттаивает, – например, когда изменяется перигелий или угол наклона орбиты Плутона. Ученые предполагают, что постоянные отложения метана образуются локально, вследствие процессов, которые не были включены в модель исследования, например, вследствие ослабленной инсоляции на местных склонах или адиабатического охлаждения, которое вызывает выпадение метановых осадков в горах.

Оказалось, что и рельеф влияет на образование ледника: глубокие впадины интенсифицируют образование льда. При этом сезонная ледяная корка обусловлена климатическими циклами планеты. Согласно результатам, в течение последующих десяти лет большая ее часть в средних и высоких широтах планеты исчезнет. Как отмечают авторы исследования, спрогнозированное ими снижение давления и количества метана в атмосфере в будущем можно будет отследить с помощью телескопов.