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【前沿报道】Nature Geoscience:冥王星存在海洋源于气体水合物隔热层
2019-06-20 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  很多含冰的太阳系天体内部可能存在液态水海洋,其中就包括冥王星。在冥王星的表面存在一个由氮冰组成、约1000 km宽的斯普特尼克平原(Sputnik Planitia)(图1),其与冥王星的潮汐轴对齐并在此区域存在正重力异常。学者认为斯普特尼克平原积聚的氮冰以及地下液态水海洋是造成冥王星潮汐轴朝向和重力异常的原因(Nimmo et al., 2016)。 

1  冥王星的斯普特尼克平原(Sputnik Planitia),由NASA新地平线号飞船于20157月拍摄    

  为了保持地下液态水海洋(subsurface ocean),冥王星内部必须有足够的热能或者高浓度的抗冻分子来维持。对此问题,学者展开研究。Robuchon and Nimmo2011)发现潮汐力和放射性辐射均不足以提供所需的热量。Robuchon et al.2016)提出冥王星内部可能存在一个由高孔隙度高浓度氮冰组成的隔热层。但是,这个猜测无法成立,因为氮冰的粘度太低,粘性流动会使得隔热层厚度大大降低,从而失去隔热作用。另外,存在高浓度的氨(>30 wt%)以及高粘度物质(盐或者硅酸盐)的可能性亦被排除(Kamata et al., 2019)。 

  近日,日本北海道大学Shunichi Kamata et al.2019)在Nature Geoscience上发表,提出了一种新的解释。他们认为冥王星的冰壳下方存在一个由气体水合物构成的隔热层。气体水合物是由气体构成的冰状固体,其中气体分子被禁锢在分子水的笼子中。气体水合物在冥王星内部压力条件下,能够在高于冰点的温度下形成,并且其热导率比水冰小5-10倍,其粘度比水冰高约一个数量级。正因为气体水合物层能够在形成水冰之前先形成,同时其高粘度和低热导率隔绝了热量的进一步损失,从而能够保证液态海洋的存在(图2)。 

 

2  冥王星内部结构简图

  同时,Kamata等也开展了冥王星内部热演化的计算模拟,他们指出如果没有气体水合物,冥王星的地下海洋在几亿年前就已经冻结了(图3a),而添加这个隔热层后,这个液态海洋可以一直存在到今天(图3b)。 

    

3  冥王星内部热演化的模拟结果    

  许多气体分子,如甲烷、氮气、一氧化碳、二氧化碳、氢气等都会形成气体水合物。在这些分子中甲烷和二氧化碳更易进入水合物相(Sloan, 2003)。冥王星大气中甲烷和一氧化碳的含量都很低,可能是因为在星体形成初期,这些气体分子在液态海洋、冰壳和大气之间已经完成分配,进入了水合物相并存在于冥王星内部。虽然二氧化碳在星体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,很难漂浮于水表面,因此不应该是冥王星水合物中主要的气体分子。这些原生的二氧化碳也可能通过化学反应转化为甲烷(如在Fe-Ni存在时的催化反应)。同时,冥王星内部也可能存在有机物,在演化的过程中这些有机物会分解生成甲烷和氮气等来补充液态海洋中的气体物质,从而使得水合物层不断生长。 

  冥王星内部可能存在水合物层,而前文中的这些气体不仅在冥王星,在许多其他天体上都有广泛分布。所以,这会不会造成很多其他星球内部存在液态海洋呢? 

    

  主要参考文献 

  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. 

  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. 

  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. 

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

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

  (撰稿:张正财/油气室,/地星室)

 
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