太陽(yáng)系行星冰凍圈

太陽(yáng)系雪線

相對(duì)于太陽(yáng)系其他行星和衛(wèi)星的冰凍圈而言，地球冰凍圈僅是冰山一角。與高海拔的山峰具有雪線一樣，太陽(yáng)系也有一條雪線，距離太陽(yáng)大約?2.7?AU，位于火星和木星之間（圖?1?中的白色線）。在太陽(yáng)系雪線之內(nèi)有?4?顆固態(tài)行星，分別是水星、金星、地球和火星；而在太陽(yáng)系雪線之外是?4?顆氣態(tài)行星，分別是木星、土星、海王星和天王星。在太陽(yáng)系雪線的內(nèi)側(cè)，水冰不可能在太陽(yáng)直射下永久存在，很容易揮發(fā)成為水汽。而在太陽(yáng)系雪線外圍，星體溫度已非常低；根據(jù)克勞修斯-克拉伯龍方程，水冰表面已很難揮發(fā)，因此，水冰是可以永久存在的，并在地質(zhì)時(shí)間尺度上保持穩(wěn)定狀態(tài)。在太陽(yáng)系雪線之外，除了?4?個(gè)氣態(tài)巨行星，還擁有大量的矮行星、小行星和固態(tài)衛(wèi)星，而它們都包含大量的水冰。實(shí)際上，一些衛(wèi)星的殼層主要是由水冰組成的，通常被稱(chēng)為冰衛(wèi)星。觀測(cè)表明，多個(gè)冰衛(wèi)星還擁有豐富的地質(zhì)活動(dòng)，如冰殼裂解、下層水汽等物質(zhì)向外噴發(fā)等，這些極大地拓展了冰凍圈的外延。因此，就整個(gè)太陽(yáng)系來(lái)說(shuō)，冰凍圈的概念是豐富多彩的。

行星冰凍圈的研究對(duì)于理解和尋找生命起源，以及研究地球和其他行星的氣候演變有著重要價(jià)值，也有為未來(lái)行星探測(cè)器乃至星際定居點(diǎn)提供重要的能量和物質(zhì)來(lái)源的潛力。

火星冰凍圈

在太陽(yáng)系雪線內(nèi)側(cè)，4?顆固態(tài)行星在太陽(yáng)系形成之初就是貧水的，因此它們冰凍圈的范圍普遍較小。水星由于質(zhì)量太小而無(wú)法維持顯著的大氣層，地球的衛(wèi)星——月球也如此。二者表面能夠被太陽(yáng)直射的部分都不可能有水冰存在，因?yàn)樵谔?yáng)光照射下，冰將很快升華并逃逸到太空。關(guān)于水星和月球兩極隕石坑內(nèi)永久陰影區(qū)中是否存在水冰的爭(zhēng)論，持續(xù)了整個(gè)?20?世紀(jì)。直到最近幾年，“信使號(hào)”探測(cè)器和“嫦娥”系列探月衛(wèi)星為我們提供了越來(lái)越多的證據(jù)，顯示水星和月球極區(qū)隕石坑內(nèi)的永久陰影區(qū)中存在有少量的水冰。金星由于其大氣溫室效應(yīng)太強(qiáng)，近地面氣溫接近?500℃，地表不可能存在水或者冰。

火星曾是人類(lèi)尋找液態(tài)水的首選。火星全球平均溫度低于??60℃，其極區(qū)冬季溫度低于??150℃。盡管一些地貌特征和沉積物顯示，火星在?30?億年前可能曾經(jīng)存在豐富的液態(tài)水甚至海洋，但現(xiàn)在，火星中低緯度地區(qū)表面沒(méi)有發(fā)現(xiàn)水冰，中低緯度地區(qū)的次表層是否存在凍土或水冰還不太清楚。火星南、北兩極的冰帽是火星冰凍圈的主體（圖?2）?；鹦潜睒O冰帽較大，直徑約為?1?100?km，厚度?2—3?km，整個(gè)冰帽的體積約為?1.9×10⁶?km³，與格陵蘭冰蓋的體積（2.85×10⁶?km³）接近；南極冰帽較小，直徑約為?400?km，冰蓋厚度與北極冰帽相當(dāng)?；鹦莾蓸O冰帽都由水冰和干冰（固態(tài)?CO₂）組成，相對(duì)來(lái)講，北極冰帽水冰較多，而南極冰帽則以干冰為主。火星兩極冰帽均存在季節(jié)性變化，主要是由干冰的季節(jié)變化造成的：火星兩極的冬季溫度均低于?CO₂?凝固的溫度。因此，在冬季火星大氣中的?CO₂?在兩極地區(qū)凍結(jié)并沉降，形成干冰。在夏季，火星北極溫度可高達(dá)??68℃，超過(guò)了?CO₂?的升華溫度，因此其地表干冰升華進(jìn)入大氣層。相對(duì)而言，火星南極夏季溫度很少超出??125℃，因此干冰不易升華。這造成了火星南北兩極冰帽成分的差異。這里特別需要指出的是，火星的冰凍圈已不僅僅涉及水冰，還包括干冰。因此，行星冰凍圈不僅包含水分的冰凍圈，其他大氣成分的凝固也是行星冰凍圈的一部分。

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