Холодная ловушка (астрономия)
— Холодная ловушка это концепция в планетарных науках , которая описывает область, достаточно холодную, чтобы заморозить (задержать) летучие вещества . Холодные ловушки могут существовать на поверхности безвоздушных тел или в верхних слоях адиабатической атмосферы. На безвоздушных телах льды, попавшие в холодные ловушки, потенциально могут оставаться там в течение геологических периодов времени, что позволяет нам заглянуть в первичную Солнечную систему. В адиабатической атмосфере холодные ловушки предотвращают выход летучих веществ (например, воды) из атмосферы в космос.
Холодные ловушки на безвоздушных планетных телах
[ редактировать ]
Наклон очень (осевой наклон) некоторых безвоздушных планетных тел Солнечной системы, таких как Меркурий , Луна и Церера, близок к нулю. Гарольд Юри первым заметил, что впадины или кратеры, расположенные вблизи полюсов этих тел, будут отбрасывать стойкие тени, которые могут сохраняться в течение геологических периодов времени (миллионы-миллиарды лет). [1] Отсутствие атмосферы предотвращает смешивание за счет конвекции , что делает эти тени чрезвычайно холодными. [2] Если молекулы летучих веществ, таких как водяной лед, попадают в эти постоянные тени, они оказываются в ловушке на геологические периоды времени. [3]
Исследование холодовых ловушек на безвоздушных телах.
[ редактировать ]Поскольку эти тени не получают солнечного света , большая часть получаемого ими тепла рассеивается и излучается излучением от окружающей топографии. Обычно горизонтальной теплопроводностью от прилегающих более теплых областей можно пренебречь из-за высокой пористости и, следовательно, низкой теплопроводности самых верхних слоев безвоздушных тел. Следовательно, температуру этих постоянных теней можно моделировать с помощью алгоритмов луча или трассировки лучей в сочетании с одномерными моделями вертикальной теплопроводности. [4] [2] В некоторых случаях, например в случае кратеров чашеобразной формы, можно получить выражение для равновесной температуры этих теней. [5]
Кроме того, температура (и, следовательно, стабильность) холодных ловушек может быть измерена дистанционно с помощью орбитального аппарата. Температуры лунных холодных ловушек тщательно изучались радиометром Lunar Reconnaissance Diviner Orbiter . [6] На Меркурии с помощью радара были получены доказательства наличия отложений льда внутри холодных ловушек. [7] отражательная способность [8] [9] и видимые образы. [10] обнаружил холодные ловушки На Церере космический корабль Dawn . [11]
Атмосферные холодные ловушки
[ редактировать ]В науке об атмосфере холодная ловушка — это слой атмосферы , который существенно холоднее, чем более глубокие и верхние слои. Например, для тропосферы Земли температура воздуха падает с увеличением высоты, достигая нижней точки (около 20 километров). Эту область называют холодной ловушкой, потому что она улавливает восходящие газы с высокими температурами кипения, заставляя их падать обратно на Землю. [ нужна ссылка ]
Для биологических форм жизни на Земле наиболее важным газом, который необходимо удерживать таким образом, является водяной пар . Без присутствия холодной ловушки в атмосфере содержащаяся в ней вода постепенно уходила бы в космос, делая жизнь невозможной. Холодная ловушка удерживает одну десятую процента воды в атмосфере в виде пара на больших высотах. Холодная ловушка Земли также представляет собой слой, над которым интенсивность ультрафиолета высока, поскольку выше количество водяного пара незначительно. Кислород экранирует интенсивность ультрафиолета. [ нужна ссылка ]
Некоторые астрономы полагают, что отсутствие холодной ловушки является причиной того, что планеты Венера и Марс потеряли большую часть своей жидкой воды в начале своей истории. [12] Холодная ловушка Земли расположена примерно в 12 км над уровнем моря, что значительно ниже высоты, на которой водяной пар будет навсегда разделен на водород и кислород солнечными ультрафиолетовыми лучами, а первый будет безвозвратно унесен в космос. Из-за холодной ловушки в земной атмосфере Земля фактически теряет воду в космос со скоростью всего 1 миллиметр океана каждые 1 миллион лет, что слишком медленно, чтобы повлиять на изменения уровня моря в каких-либо временных масштабах, касающихся человека, по сравнению с к нынешним темпам повышения уровня моря на 3 миллиметра каждый год из-за продолжающегося антропогенного изменения климата, таяния полярных ледяных шапок в сочетании с тепловым расширением морской воды. При таких темпах потребуются триллионы лет, что намного больше, чем ожидаемая продолжительность жизни Земли, чтобы вся ее вода исчезла (именно поэтому из-за антропогенного изменения климата в ближайшем будущем усилятся экстремальные погодные явления, такие как ураганы и наводнения). В этом смысле более теплая атмосфера может удерживать больше влаги и, следовательно, увеличивать количество указанного водяного пара, возвращающегося в виде осадков, поскольку даже в этом случае холодная ловушка все равно предотвратит потерю указанного водяного пара в космос, и поэтому атмосфера Земли все еще слишком холодная. чтобы такое произошло), хотя возможное потепление Солнца по мере его старения только сделает холодную ловушку слабее в течение следующего миллиарда лет, делая атмосферу Земли еще теплее, что толкает холодную ловушку еще выше в атмосферу и, следовательно, вызывает он потеряет способность предотвращать диссоциацию любого водяного пара обратно на водород и кислород под действием солнечных ультрафиолетовых лучей и выход первого в космос, что приведет к тому, что Земля в конечном итоге потеряет свои океаны в космос примерно через 1 миллиард лет, задолго до Солнце наконец превратится в красного гиганта.
Как отмечают Питер Уорд и Дональд Браунли в своей книге «Жизнь и смерть планеты Земля» , нынешний процесс фактической исчезновения океанов был задокументирован только дважды, сначала во время лунной миссии «Аполлон-16» (хотя и случайно, в которой участвовали участники миссии). астронавты наблюдают за Землей с помощью уникальной камеры Каррутерса , которая была создана и использовалась только один раз, для этой конкретной миссии, поскольку такой процесс можно наблюдать только в ультрафиолетовом свете и с Луны из-за отсутствия атмосферы, блокирующей указанный ультрафиолетовый свет. ), и снова в 1990-х годах посредством исследований астронавтов, проведенных на борту космического корабля "Шаттл".
Титан Спутник Сатурна имеет очень слабую холодную ловушку, которая способна удерживать лишь часть атмосферного метана. [13] Таким образом, было высказано предположение, что Титан является ближайшим аналогом того, как будет выглядеть атмосфера Земли, когда холодная ловушка Земли выйдет из строя, с метаном вместо воды и углеводородными продуктами фотохимии вместо кислорода и озона. [14]
Считается, что для кислорода на Ганимеде действуют холодные ловушки . [15]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Люси, PG (2009). «Полюсы Луны». Элементы . 5 (1): 41–6. дои : 10.2113/gselements.5.1.41 .
- ^ Jump up to: а б Рубаненко, Лиор; Ааронсон, Одед (2017). «Устойчивость льда на Луне с неровным рельефом». Икар . 296 : 99–109. Бибкод : 2017Icar..296...99R . дои : 10.1016/j.icarus.2017.05.028 .
- ^ Уотсон, Кеннет; Мюррей, Брюс С.; Браун, Харрисон (1961). «Поведение летучих веществ на лунной поверхности» (PDF) . Журнал геофизических исследований . 66 (9): 3033–45. Бибкод : 1961JGR....66.3033W . дои : 10.1029/JZ066i009p03033 .
- ^ Васавада, А; Пейдж, Дэвид А.; Вуд, Стивен Э. (1999). «Приповерхностные температуры на Меркурии и Луне и стабильность полярных ледяных отложений». Икар . 141 (2): 179–93. Бибкод : 1999Icar..141..179V . дои : 10.1006/icar.1999.6175 .
- ^ Буль, Дэвид; Уэлч, Уильям Дж.; Ри, Дональд Г. (1968). «Переизлучение и тепловое излучение из освещенных кратеров на поверхности Луны». Журнал геофизических исследований . 73 (16): 5281–95. Бибкод : 1968JGR....73.5281B . дои : 10.1029/JB073i016p05281 .
- ^ Пейдж, окружной прокурор; Зиглер, Массачусетс; Чжан, Дж.А.; Хейн, ПО; Фут, Э.Дж.; Беннетт, Калифорния; Васавада, Арканзас; Гринхаген, Британская Колумбия; Шофилд, Дж.Т.; МакКлиз, диджей; Фут, MC; Деджонг, Э.; Биллс, Б.Г.; Хартфорд, В.; Мюррей, Британская Колумбия; Аллен, CC; Снук, К.; Содерблом, Луизиана; Калькутт, С.; Тейлор, ФРВ; Боулз, штат Небраска; Бэндфилд, JL; Эльфик, Р.; Гент, Р.; Глотч, Т.Д.; Вятт, МБ; Люси, PG (2010). «Наблюдения холодных ловушек в южном полярном регионе Луны с помощью лунного радиометра Diviner». Наука . 330 (6003): 479–82. Бибкод : 2010Sci...330..479P . дои : 10.1126/science.1187726 . ПМИД 20966246 . S2CID 12612315 .
- ^ Хармон, Дж; Периллат, П.Дж.; Слэйд, Массачусетс (2001). «Радиолокационная съемка высокого разрешения Северного полюса Меркурия». Икар . 149 (1): 1–15. Бибкод : 2001Icar..149....1H . дои : 10.1006/icar.2000.6544 .
- ^ Нойманн, Джорджия; Кавано, Дж. Ф.; Солнце, Х.; Мазарико, EM; Смит, Делавэр; Зубер, Монтана; Мао, Д.; Пейдж, окружной прокурор; Соломон, Южная Каролина; Эрнст, CM; Барнуэн, ОС (2012). «Яркие и темные полярные отложения на Меркурии: свидетельства наличия поверхностных летучих веществ» . Наука . 339 (6117): 296–300. Бибкод : 2013Sci...339..296N . дои : 10.1126/science.1229764 . ПМИД 23196910 . S2CID 206544976 .
- ^ Рубаненко Л.; Мазарико, Э.; Нойманн, Джорджия; Пейдж, окружной прокурор (2017). «Доказательства наличия поверхностного и подповерхностного льда внутри микроловушек холода на Северном полюсе Меркурия». 48-я конференция по наукам о Луне и планетах . 48 (1964): 1461. Бибкод : 2017LPI....48.1461R .
- ^ Шабо, Нидерланды; Эрнст, CM; Деневи, Б.В.; Наир, Х.; Дойч, АН; Блюетт, DT; Мурчи, СЛ; Нойманн, Джорджия; Мазарико, Э.; Пейдж, окружной прокурор; Хармон, Дж. К.; Руководитель, JW; Соломон, Южная Каролина (2014). «Изображения поверхностных летучих веществ в полярных кратерах Меркурия, полученные космическим кораблем MESSENGER». Геология . 42 (12): 1051–4. Бибкод : 2014Geo....42.1051C . дои : 10.1130/G35916.1 .
- ^ Шоргофер, Норберт; Мазарико, Эрван; Платц, Томас; Пройскер, Франк; Шредер, Стефан Э.; Раймонд, Кэрол А.; Рассел, Кристофер Т. (2016). «Постоянно затененные регионы карликовой планеты Церера» . Письма о геофизических исследованиях . 43 (13): 6783–9. Бибкод : 2016GeoRL..43.6783S . дои : 10.1002/2016GL069368 .
- ^ Строу, Томпсон (1977). Астрономия: основы и границы . Куинн и Боден. п. 425.
- ^ «Титан и будущие атмосферы Земли: затерянные в космосе» . Исследование Солнечной системы НАСА . 26 августа 2009 г.
- ^ Лунин, JI (февраль 2009 г.). «Титан как аналог прошлого и будущего Земли» . Сеть конференций EPJ . 1 : 267–274. Бибкод : 2009EPJWC...1..267L . doi : 10.1140/epjconf/e2009-00926-7 . S2CID 54545487 .
- ^ Видал, РА; Бахр, Д.; Бараджола, РА; Питерс, М. (1997). «Кислород на Ганимеде: лабораторные исследования». Наука . 276 (5320): 1839–42. Бибкод : 1997Sci...276.1839V . дои : 10.1126/science.276.5320.1839 . ПМИД 9188525 .