Метановый снег на Плутоне

На Плутоне, в районе вершин самых высоких гор, обнаружены метановые «снежные шапки». По данным космического аппарата New Horizons и на основе математического моделирования атмосферы планетологи предложили объяснение их появления. Снежный покров на Плутоне имеет отличную от земной природу. Предполагается, что он появился в результате охлаждения и конденсации из насыщенных метаном и более тёплых воздушных масс на больших высотах при контакте с холодными склонами гор. Этот механизм противоположен земному механизму охлаждения тёплого воздуха с водяным паром при его подъёме на высоту.

В 2015 году зонд New Horizons, предназначенный для подробного исследования Плутона и других объектов пояса Койпера, открыл на Плутоне горы с вершинами, покрытыми снегом (см. отдельную статью о проекте New Horizons; также более подробную информацию можно получить на официальной странице миссии). Они напоминают снежные вершины на Земле, однако в Солнечной системе такой пейзаж нигде больше не встречается. Сначала белые пятна на склонах самых высоких гор на снимках Плутона интерпретировали как лёд, но позже было установлено, что там присутствует и снег. На Земле температура воздуха падает с высотой (в среднем на 1?C на 100 метров), но на Плутоне ситуация обратная: температура с высотой повышается из-за того, что верхние слои атмосферы разогреваются под действием солнечного излучения, поэтому механизм образования снежных шапок должен быть разным несмотря на схожесть ландшафта.

Исследовательская группа на базе CNRS (французского Национального центра научных исследований) предложила ответ на этот вопрос. Статья, объясняющая механизм формирования снежного покрова на Плутоне, опубликована в октябре 2020 года в Nature Communications. Установлено, что «снег» на Плутоне состоит из замёрзшего метана CH4. Следы этого газа присутствуют в атмосфере Плутона так же, как водяной пар присутствует в атмосфере Земли.

Метан при температурах, характерных для орбит от Юпитера и дальше, встречается и на других телах Солнечной системы. Так, на спутнике Сатурна Титане он выполняет такую же функцию, как и вода на Земле, обеспечивая полный гидрологический цикл (облака, дожди, водоёмы и метановый лёд) и тем самым образуя формы рельефа, схожие с земными (см. отдельную статью про геоморфологическое картирование Титана). Плутон находится значительно дальше и температура на нём составляет порядка 50 K на экваторе, поэтому «метановые реки» и полноценный гидрологический цикл метана на нём невозможны. Вероятно, здесь можно говорить только о процессах конденсации атмосферного метана сразу в твёрдую фазу и её сублимации.

Объектом исследований стал ландшафт одной из областей Плутона вблизи экватора, называемой областью Ктулху, или макулой Ктулху (макула в планетологии — это общий термин для небольших тёмных участков на поверхности планет вне зависимости от их природы). Это регион с большим количеством гор и кратеров к западу от крупной низменности Sputnik Planitia. Он выглядит на снимках как тёмное пятно из-за низкой отражательной способности поверхности и изрезанности рельефа, но на его небольшой части, в районе двух самых высоких хребтов детальная съёмка выявляет отложения метана, которые хорошо выделяются как светлые участки на фоне тёмных отрогов гор. В целом это напоминает альпийский пейзаж в том же масштабе, как на приведённом выше рисунке из работы (панель c справа).

Чтобы определить, как ландшафт со снежными шапками может сформироваться в принципиально отличных от Земли условиях, использовалась разработанная ранее, также по мотивам результатов New Horizons, глобальная климатическая модель Плутона. Она позволяет рассчитать метановый цикл на планете, и в ней учитываются динамика и турбулентность атмосферы, различные механизмы теплообмена, а также фазовый состав атмосферы Плутона с тремя основными компонентами — N2, CH4 и CO. Таким образом удалось установить, что атмосфера Плутона в районе экватора на высоте около 4 километров обогащена метаном сильнее, чем вблизи поверхности и выше этой отметки. Этому способствует динамика ветров и особенности фазового равновесия атмосферных газов при этом сочетании температуры и высоты. Поэтому на горах, достигающих этих высот, может образоваться снежный покров. Механизм его формирования обратный земному. Более тёплые воздушные массы в высоких слоях атмосферы соприкасаются с холодными вершинами гор, что и вызывает конденсацию метана. Этому также способствует «роза ветров» из-за вращения планеты и рельефа. Метан может конденсироваться только на достаточно высоких вершинах, которые достигают обогащённых метаном слоёв атмосферы. Ниже некоторого порога концентрация метана в атмосфере слишком низкая и конденсации не происходит (самые высокие горы на Плутоне, горы Тенцинга, имеют высоту около 3,5 километров).

На Земле работает обратный механизм: тёплый воздух возле поверхности, богатый водяным паром, поднимается вверх. Конденсация водяного пара происходит при его охлаждении в верхних слоях (охлаждение в основном идёт за счёт адиабатического расширения в областях более низкого давления при подъёме воздушных масс на высоту).

Раньше такой процесс снегообразования не рассматривался в качестве возможного механизма для Плутона. Между тем снежный или ледяной покров с высокой отражательной способностью создаёт положительную обратную связь, что хорошо известно на примере Земли и Марса: раз возникнув, снежная шапка способствует дальнейшему охлаждению этого участка и, следовательно, разрастанию снежной шапки. Это же исследование помогло объяснить происхождение своеобразных элементов рельефа в виде остроконечных пиков на других участках планеты. Теперь можно предположить, что они тоже образуются с участием метанового льда.

Источник: 22century.ru