谷神星冰凍圈

谷神星是位于小行星帶的最大星體，屬于矮行星范疇，距離太陽(yáng)?2.8?AU，介于火星和木星之間，直徑?940?km。現(xiàn)有的研究和探測(cè)表明，谷神星的殼層厚度約為?40?km，含有至少?40%?的水冰，其他是巖石成分。2015?年，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的“黎明號(hào)”探測(cè)器表明，谷神星表面為水冰、鹽和水合礦物的混合物，可能還有水合包絡(luò)物。另外，在谷神星上還發(fā)現(xiàn)了冰火山。阿胡拉山（Ahuna Mons）便是一個(gè)較為確定的冰火山，約?17?km?寬，4?km?高（圖?3）；其就是水冰從殼層下面噴發(fā)出來(lái)形成的冰山。

除了谷神星，小行星帶內(nèi)的許多小星體也主要是由水冰所組成。一些研究建議，地球水分中的相當(dāng)一部分是在晚期大轟擊時(shí)期（距今?42?億—38?億年前），由小行星帶內(nèi)富含水的星體撞擊地球帶來(lái)的。因此，研究地球之外的冰凍圈對(duì)我們理解地球水的來(lái)源和生命演化極為重要。

冰衛(wèi)星

木星和土星是?2?顆氣態(tài)巨行星，擁有諸多衛(wèi)星，而這些衛(wèi)星中許多是由水冰組成的；此外，土星美麗的光環(huán)也主要是由水冰顆粒組成的。

水冰覆蓋了木衛(wèi)二（Europa）、木衛(wèi)三（Ganymede）和木衛(wèi)四（Callisto）的表面并成為這些衛(wèi)星的殼層。這些殼層與由巖石物質(zhì)所構(gòu)成的地球殼層完全不同。在這些衛(wèi)星的水冰殼層之下，很可能存在著液態(tài)海洋。因?yàn)橐簯B(tài)水是生命存在的首要條件，所以木衛(wèi)二受到了最廣泛的關(guān)注。20?世紀(jì)?70?年代發(fā)射的“旅行者號(hào)”探測(cè)器拍下的大量照片顯示，木衛(wèi)二的水冰表面布滿了縱橫交錯(cuò)的山脊—山谷—山脊?fàn)盍鸭y。此外，還有約占表面積?1/4?的冰川表面“破裂”為數(shù)千米大小的破碎多邊形單元，顯示在引力潮汐作用下，木衛(wèi)二殼層下液體流動(dòng)的痕跡。根據(jù)這些觀測(cè)，很多科學(xué)家相信木衛(wèi)二的水冰殼層下存在一個(gè)較深厚的海洋。重力場(chǎng)測(cè)量表明木衛(wèi)二外圈冰層和可能的地下海洋總深度達(dá)到約?100—200?km。 

土星的冰衛(wèi)星與木星的冰衛(wèi)星類似。以土衛(wèi)二為例，其密度約為?1?600?kg?·?m^?3，對(duì)應(yīng)著約?60%?的巖石和?40%?的水/冰，其表層是一層水冰殼層，而殼層下可能存在一個(gè)全球性的海洋。土衛(wèi)二有著令我們始料未及的地質(zhì)活動(dòng)強(qiáng)度：年輕的南極冰殼層有?4?條平行的裂紋——“老虎紋”（tiger stripe），不斷噴發(fā)出超音速冰粒、水蒸氣和其他氣體，達(dá)到幾百公里的高度（圖?4）。噴發(fā)物大部分落回土衛(wèi)二表面，而約有?9%?的物質(zhì)在土星引力作用下，成為壯觀的土星環(huán)的一部分（E?環(huán)）。土星美麗的光環(huán)也主要是由水冰顆粒所組成?！翱ㄎ髂崽?hào)”飛船多次穿越后測(cè)得其氣體成分主要是水汽，還含有?5% CO₂、1% CH₄、1%?氨（NH₃），以及少量較重的碳?xì)浜陀袡C(jī)化合物。地球生命所必需的三大條件包括生命所需的元素、液態(tài)水和化學(xué)能來(lái)源（氧化還原梯度），而前兩者幾乎都能夠在土衛(wèi)二上找到。這使土衛(wèi)二成為天體生物學(xué)研究，特別是成為尋找生命起源的一個(gè)重要研究目標(biāo)。

土衛(wèi)六又稱“泰坦”，是太陽(yáng)系中唯一擁有濃密大氣的衛(wèi)星。大氣中的?CH₄?和?N₂?發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，生成高階碳?xì)浠衔锖碗骖愇镔|(zhì)，形成的有機(jī)氣溶膠顆粒成為土衛(wèi)六大氣中的霾?！翱ㄎ髂崽?hào)”飛船通過(guò)雷達(dá)發(fā)現(xiàn)在土衛(wèi)六不到?100?K?表面溫度下存在一系列的?CH₄?湖，小的不到?10?km³，最大的克拉肯海達(dá)到?500?000?km³。土衛(wèi)六是目前已知的地球之外唯一在表面擁有穩(wěn)定的大面積的液體存在的天體。CH_4?在土衛(wèi)六的角色與水在地球的作用很相似，CH₄?湖的存在維持了大氣層中的?CH₄?含量，同時(shí)產(chǎn)生了?CH₄?云；地面有著縱橫交錯(cuò)的河流痕跡，表明土衛(wèi)六上可能有間斷發(fā)生的液態(tài)?CH₄?沉降。此外，“卡西尼號(hào)”飛船所投放的“惠更斯號(hào)”探測(cè)器在土衛(wèi)六的著陸點(diǎn)附近還拍攝到許多鵝卵石大小的、可能包裹了碳?xì)浠衔锏乃?/p>

 冥王星

在太陽(yáng)系外側(cè)的柯伊伯帶有眾多小星體，這些小星體主要由水冰組成。冥王星是其中最大的一個(gè)星體，屬于矮行星范疇，其殼層主要由水冰構(gòu)成。冥王星表面溫度?30—60?K，在如此低的溫度條件下，N₂、CH₄?和一氧化碳（CO）等易揮發(fā)物質(zhì)都以固態(tài)冰的形式存在，并與一些光化學(xué)產(chǎn)生的有機(jī)物一起覆蓋在由水冰構(gòu)成的“基巖”上。這些易揮發(fā)性冰的厚度和成分比例隨溫度變化呈現(xiàn)顯著的變化。與土衛(wèi)六類似，冥王星的冰凍圈也是與大氣圈密切耦合在一起的，其大氣壓力由氮冰的飽和蒸氣壓所控制：在遠(yuǎn)日點(diǎn)時(shí)，冥王星表面溫度較低，大氣壓也較低；而在近日點(diǎn)時(shí)，表面溫度較高，N₂、CH₄?和?CO?揮發(fā)進(jìn)入大氣，大氣壓也隨之升高。

“新視野號(hào)”探測(cè)器在飛越冥王星時(shí)拍攝的照片顯示，冥王星有一個(gè)“心臟形”的平原，被稱為“斯普尼克平原”。該平原是一個(gè)盆地，四周都是水冰形成的冰山，高度?2—3?km，還發(fā)現(xiàn)了冰火山的活動(dòng)痕跡（圖?5）。該平原上覆蓋著數(shù)千米厚的易揮發(fā)冰層，主要成分是?N₂，還有少量?CH₄?和?CO。觀測(cè)表明，這層氮冰能夠進(jìn)行固體對(duì)流運(yùn)動(dòng)，還能夠通過(guò)黏性流動(dòng)不斷更新其表面。

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