手机购彩代理 地球之外的冰雪世界——走星冰冻圈

作者:admin| 发表于2020-05-09 19:35 点击数:

中国网/中国发展门户网讯 在当代气候条件下,地球冰冻圈主要存在于高纬度、高海拔和大气对流层中层至中心层。但在地球 46 亿年的历史中,地球气候经历了强烈的冷暖转折,因此地球冰冻圈的范围也在一向地振动。在暖期,地球的两极甚至异国冰盖;而在极端严寒期,冰冻圈推进到赤道附近,地球甚至进入了全冰封的状态。倘若吾们把视野放大到整个太阳系,各走星的冰冻圈所展现的雄厚多样性远超出了吾们基于地球所形成的冰冻圈概念。由于各走星和卫星的外观气压、温度与地球存在庞大的迥异,它们的冰冻圈与地球冰冻圈有着很大的分歧。奇异域,走星冰冻圈还包括其他易蒸发组分的冰冻圈层。例如,在火星极低的温度条件下,二氧化碳(CO2)能够形成干冰并沉降;氮气(N2)在冥王星上能够形成氮冰等。在太阳系的外围,一些低走星和卫星主要是由水分构成的,这些天体的壳层是由冰冻圈构成的;在极低的温度条件下,这些低走星和卫星的水冰物理性质与地球上的水冰十足分歧。在太阳系之外,现在已发现了 4 000 多颗系生手星,其中 10—20 颗有能够是正当类地生命存在的宜居走星。这些太阳系外宜居走星大多是潮汐锁相走星——其一壁永久朝向其恒星,而另一壁永久背向恒星。能够想象,这些走星背阳面的冰冻圈与地球冰冻圈答该有着很大的迥异。

两次“冰雪地球”事件

回顾地球 46 亿年的历史,气候的总体趋势是一向变冷的。自地球形成到距今 25 亿年前,除去大约距今 30 亿年前能够存在一段较短的严寒时期外,地球上基本异国冰河期存在;并且,这段时间要地本地球两极地区很能够也异国冰盖,地球冰冻圈很能够仅存在于大气层,也就是冰晶云。早期地球的平均外观温度较现在高得多,氧、硅同位素等其他地质证据也声援这一结论。

距今 25 亿年以来,地球上展现过 5 次大的冰河期,其中 2 次为全球性的,别离发生在距今 23 亿年前的古元古代和距今 8 亿—6 亿年前的新元古代。当这 2 次冰河期达到顶峰时,全球平均温度下落到 −50℃ 或更低,陆地被冰川所遮盖,海冰厚度达 1—2 km,并且延迟到赤道地区,甚至赤道地区的海洋也被冰封,地球冰冻圈范围扩展到最大。这 2 次全球性的冰河期也被称为“冰雪地球”(Snowball Earth)。当全球海洋被冰封之后,水循环基本被堵截,不会再产生降雪,而最初的积雪逐渐形成冰;此时,地球实际上是被冰所遮盖,因此称为“冰球地球”更正当一些。

这 2 次全球性冰川的证据主要来自 3 个方面:① 在当代,一切大陆上均发现了对答这 2 个时期的冰川残迹层。按照古地磁的证据能够推想出当时的大陆基本都荟萃在炎带地区,这表明当时赤道地区大陆也存在冰川。②2 个时期都有条带型铁矿石的形成,这表明在条带型铁矿石形成之前海洋曾经被十足冰封过。只有在海洋十足被冰封的情况下,海洋中氧的来源被堵截,在无氧状态下,铁溶解于海水的表象才能发生(在无氧的情况下,铁是能够溶解于水的);而当海冰融化后,大气中的氧进入海洋,铁与氧发生化学逆答形成氧化铁,从海水中沉淀下来,并形成条带型的铁矿石。③ 冰川残积层上面存在浓重的碳酸盐岩。这表明在冰川期期间,陆地外观硅酸盐风化逆答被停留或极大地减弱,火山喷发的 CO2 一向在大气中累积;当冰川熔解后,大气中 CO2 经由过程风化逆答形成碳酸钙手机购彩代理,并沉降下来。

古元古代冰河期(也被称为息伦冰河期)有能够是地球历史上赓续时间最长的冰川期。关于古元古代“冰雪地球”的形成手机购彩代理,清淡认为与大气中甲烷(CH4)的氧化相关。当时大气的氧气(O2)最先一向累积和提高;氧化逆答使得大气中CH4浓度下落手机购彩代理,温室效答减弱;继而地球变冷,从而诱发了古元古代“冰雪地球”的形成。

新元古代“冰雪地球”事件包括了起码 3—4 次全球性冰川的形成和融化过程,其中至稀奇 2 次冰川事件是全球性的。新元古代“冰雪地球”的形成和融化与 CO2 浓度的转折相关,是一个典型的碳酸盐-硅酸盐循环气候负逆馈机制的效果。新元古代“冰雪地球”形成和融化分为 4 个阶段:① 炎带裸露的地外导致强的风化逆答,CO2 浓度下落,温室效答减弱;② 在冰雪-逆照率正逆馈的作用下,陆地冰川和海冰自高纬度向炎带膨胀,形成全球性冰封;③ 冰封后,风化逆答休止,火山喷发的 CO2 在大气中累积,温室效答添强;④ 当 CO2 浓度有余高,温室效答变得有余强,“冰雪地球”融化,地球返回温暖的气候态。整个过程正益代外了 1 次碳酸盐-硅酸盐循环,也逆映了该循环的负逆馈机制对气候安详性的作用。与古元古代“冰雪地球”的形成分歧,新元古代“冰雪地球”的形成是由于 CO2 浓度下落,而非 CH4 浓度下落。2 次全球性冰川的融化则都是由于 CO2 浓度提高所导致的温室效答变强造成的。

这 2 次“冰雪地球”事件对传统的地球深时古气候转折和生命演化是一个极大的挑衅。迄今为止,地学界关于这 2 次全球性冰川事件还存在普及的争吵。争吵的要点为海洋原形是十足被冰封,照样炎带海洋仍保留有盛开的海域。固然一切的证据都外明在元古代的早期和晚期实在展现过地球历史上最为厉重的冰河期,但这些证据还不及足够表明地球在这 2 个时期被十足冰封过。就现有的证据而言,炎带保留盛开的洋面益像更相符理一些。倘若地球实在被十足冰封数百万年,原首生命如何一连将是一个很难回答的题目。

太阳系走星冰冻圈

太阳系雪线

相对于太阳系其他走星和卫星的冰冻圈而言,地球冰冻圈仅是冰山一角。与高海拔的山峰具有雪线相通,太阳系也有一条雪线,距离太阳大约 2.7 AU,位于火星和木星之间(图 1 中的白色线)。在太阳系雪线之内有 4 颗固态走星,别离是水星、金星、地球和火星;而在太阳系雪线之外是 4 颗气态走星,别离是木星、土星、海王星和天王星。在太阳系雪线的内侧,水冰不能够在太阳直射下长期存在,很容易蒸发成为水汽。而在太阳系雪线外围,星体温度已专门低;按照克劳修斯-克拉伯龙方程,水冰外观已很难蒸发,因此,水冰是能够长期存在的,并在地质时间尺度上保持安详状态。在太阳系雪线之外,除了 4 个气态巨走星,还拥有大量的低走星、幼走星和固态卫星,而它们都包含大量的水冰。实际上,一些卫星的壳层主要是由水冰构成的,清淡被称为冰卫星。不悦目测外明,多个冰卫星还拥有雄厚的地质活动,如冰壳裂解、基层水汽等物质向外喷发等,这些极大地拓展了冰冻圈的外延。因此,就整个太阳系来说,冰冻圈的概念是雄厚多彩的。

走星冰冻圈的钻研对于理解和追求生命首源,以及钻研地球和其他走星的气候演变有偏主要价值,也有为异日走星探测器乃至星际定居点挑供主要的能量和物质来源的潜力。

火星冰冻圈

在太阳系雪线内侧,4 颗固态走星在太阳系形成之初就是贫水的,因此它们冰冻圈的范围普及较幼。水星由于质量太幼而无法维持隐微的大气层,地球的卫星——月球也这样。二者外观能够被太阳直射的片面都不能够有水冰存在,由于在太阳光照射下,冰将很快升华并逃逸到太空。关于水星和月球两极陨石坑内长期阴影区中是否存在水冰的争吵,赓续了整个 20 世纪。直到近来几年,“信使号”探测器和“嫦娥”系列探月卫星为吾们挑供了越来越多的证据,表现水星和月球极区陨石坑内的长期阴影区中存在有幼批的水冰。金星由于其大气温室效答太强,近地面气温挨近 500℃,地外不能够存在水或者冰。

火星曾是人类追求液态水的首选。火星全球平均温度低于 −60℃,其极区冬季温度低于 −150℃。尽管一些地貌特征和沉积物表现,火星在 30 亿年前能够曾经存在雄厚的液态水甚至海洋,但现在,火星中低纬度地区外观异国发现水冰,中低纬度地区的次外层是否存在冻土或水冰还不太清新。火星南、北两极的冰帽是火星冰冻圈的主体(图 2)。火星北极冰帽较大,直径约为 1 100 km,厚度 2—3 km,整个冰帽的体积约为 1.9×106 km3,与格陵兰冰盖的体积(2.85×106 km3)挨近;南极冰帽较幼,直径约为 400 km,冰盖厚度与北极冰帽相等。火星两极冰帽都由水冰和干冰(固态 CO2)构成,相对来讲,北极冰帽水冰较多,而南极冰帽则以干冰为主。火星两极冰帽均存在季节性转折,主要是由干冰的季节转折造成的:火星两极的冬季温度均低于 CO2 凝集的温度。因此,在冬季火星大气中的 CO2 在两极地区冻结并沉降,形成干冰。在夏日,火星北极温度可高达 −68℃,超过了 CO2 的升华温度,因此其地外干冰升华进入大气层。相对而言,火星南极夏日温度很少超出 −125℃,因此干冰不易升华。这造成了火星南北两极冰帽成分的迥异。这边稀奇必要指出的是,火星的冰冻圈已不光仅涉及水冰,还包括干冰。因此,走星冰冻圈不光包含水分的冰冻圈,其他大气成分的凝集也是走星冰冻圈的一片面。

谷神星冰冻圈

谷神星是位于幼走星带的最大星体,属于低走星范畴,距离太阳 2.8 AU,介于火星和木星之间,直径 940 km。现有的钻研和探测外明,谷神星的壳层厚度约为 40 km,含有起码 40% 的水冰,其他是岩石成分。2015 年,美国国家航空航天局(NASA)的“早晨号”探测器外明,谷神星外观为水冰、盐和水相符矿物的同化物,能够还有水相符包络物。另外,在谷神星上还发现了冰火山。阿胡拉山(Ahuna Mons)便是一个较为确定的冰火山,约 17 km 宽,4 km 高(图 3);其就是水冰从壳层下面喷发出来形成的冰山。

除了谷神星,幼走星带内的很多幼老婆体也主要是由水冰所构成。一些钻研提出,地球水分中的相等一片面是在晚期大轰击时期(距今 42 亿—38 亿年前),由幼走星带内富含水的星体撞击地球带来的。因此,钻研地球之外的冰冻圈对吾们理解地球水的来源和生命演化极为主要。

冰卫星

木星和土星是 2 颗气态巨走星,拥有诸多卫星,而这些卫星中很多是由水冰构成的;此外,土星时兴的光环也主要是由水冰颗粒构成的。

水冰遮盖了木卫二(Europa)、木卫三(Ganymede)和木卫四(Callisto)的外观并成为这些卫星的壳层。这些壳层与由岩石物质所构成的地球壳层十足分歧。在这些卫星的水冰壳层之下,很能够存在着液态海洋。由于液态水是生命存在的主要条件,因而木卫二受到了最普及的关注。20 世纪 70 年代发射的“旅走者号”探测器拍下的大量照片表现,木卫二的水冰外观布满了纵横交错的山脊—山谷—山脊状裂纹。此外,还有约占外观积 1/4 的冰川外观“破碎”为数千米大幼的破灭多边形单元,表现在引力潮汐作用下,木卫二壳层下液体起伏的痕迹。按照这些不悦目测,很多科学家自夸木卫二的水冰壳层下存在一个较浓重的海洋。重力场测量外明木卫二外圈冰层和能够的地下海洋总深度达到约 100—200 km。

土星的冰卫星与木星的冰卫星相通。以土卫二为例,其密度约为 1 600 kg · m−3,对答着约 60% 的岩石和 40% 的水/冰,其外层是一层水冰壳层,而壳层下能够存在一个全球性的海洋。土卫二有着令吾们首料未及的地质活动强度:年轻的南极冰壳层有 4 条平走的裂纹——“老虎纹”(tiger stripe),一向喷发出超音速冰粒、水蒸气和其他气体,达到几百公里的高度(图 4)。喷发物大片面落回土卫二外观,而约有 9% 的物质在土星引力作用下,成为壮不悦目的土星环的一片面(E 环)。土星时兴的光环也主要是由水冰颗粒所构成。“卡西尼号”飞船多次穿越后测得其气体成分主要是水汽,还含有 5% CO2、1% CH4、1% 氨(NH3),以及幼批较重的碳氢和有机化相符物。地球生命所必需的三大条件包括生命所需的元素、液态水和化学能来源(氧化还原梯度),而前两者几乎都能够在土卫二上找到。这使土卫二成为天体生物学钻研,稀奇是成为追求生命首源的一个主要钻研现在的。

土卫六又称“泰坦”,是太阳系中唯一拥有浓壮大气的卫星。大气中的 CH4 和 N2 发生光化学逆答,生成高阶碳氢化相符物和腈类物质,形成的有机气溶胶颗粒成为土卫六大气中的霾。“卡西尼号”飞船经由过程雷达发现在土卫六不到 100 K 外观温度下存在一系列的 CH4 湖,幼的不到 10 km3,最大的克拉肯海达到 500 000 km3。土卫六是现在已知的地球之外唯一在外观拥有安详的大面积的液体存在的天体。CH4 在土卫六的角色与水在地球的作用很相通,CH4 湖的存在维持了大气层中的 CH4 含量,同时产生了 CH4 云;地面有着纵横交错的河流痕迹,外明土卫六上能够有中止发生的液态 CH4 沉降。此外,“卡西尼号”飞船所投放的“惠更斯号”探测器在土卫六的着陆点附近还拍摄到很多鹅卵石大幼的、能够包裹了碳氢化相符物的水冰。

冥王星

在太阳系外侧的柯伊伯带有多多幼老婆体,这些幼老婆体主要由水冰构成。冥王星是其中最大的一个星体,属于低走星范畴,其壳层主要由水冰构成。冥王星外观温度 30—60 K,在这样低的温度条件下,N2、CH4 和一氧化碳(CO)等易蒸发物质都以固态冰的形势存在,并与一些光化学产生的有机物一首遮盖在由水冰构成的“基岩”上。这些易蒸发性冰的厚度和成分比例随温度转折表现隐微的转折。与土卫六相通,冥王星的冰冻圈也是与大气圈亲昵耦相符在一首的,其大气压力由氮冰的饱和蒸气压所限制:在远日点时,冥王星外观温度较低,大气压也较低;而在近日点时,外观温度较高,N2、CH4 和 CO 蒸发进入大气,大气压也随之提高。

“新视野号”探测器在飞越冥王星时拍摄的照片表现,冥王星有一个“心脏形”的平原,被称为“斯普尼克平原”。该平原是一个盆地,界限都是水冰形成的冰山,高度 2—3 km,还发现了冰火山的活动痕迹(图 5)。该平原上遮盖着数千米厚的易蒸发冰层,主要成分是 N2,还有幼批 CH4 和 CO。不悦目测外明,这层氮冰能够进走固体对流活动,还能够经由过程黏性起伏一向更新其外观。

太阳系生手星冰冻圈

1995 年,第一颗围绕类太阳恒星公转的太阳系生手星(简称“系生手星”)被确认。这是一个划时代的事件,其发现者 Michel Mayor 和 Didier Queloz 获得了 2019 年的诺贝尔物理学奖。在 1995 年之后,每年累计确认的系生手星数现在呈指数增补,现在已经确认了 4 000 多颗系生手星。其中,有 10—20 颗能够是宜居走星。一颗走星是否宜居取决于诸多条件,如地外水、恒星辐射、走星轨道、大气成分、臭氧层、板块组织、磁场等,但液态水是生命存在的主要条件。走星的地外是否能够长期维持液态水的存在,主要取决于地外温度。倘若一颗走星上的水常年都以固态的形势存在,十足被冻结,那么这类走星一定是不宜居的。

在系生手星中,最有能够展现冰冻圈的是围绕着红低星公转的走星。红低星质量较幼、大约只有太阳的 7.5%—60%,其辐射温度较低,大约在 2 300—3 800 K。相对而言,太阳的外观温度是 5 800 K。由于红低星的质量较幼,其核聚变逆答速率比太阳的慢很多,其寿命也较类太阳恒星要长很多,因而银河系中 80% 以上的恒星是红低星,而类太阳恒星或质量更大的恒星数目很少。现在,已发现的大片面系生手星是围绕着红低星公转的。由于红低星的辐射强度比太阳的幼很多,因而其界限的宜居走星与母星距离较近,受到恒星的潮汐力很大,形成潮汐锁相。这些宜居走星的一壁永久拥有阳光,另一壁永遥远于黑黑之中。月球就是被地球锁相;因此,吾们只能看到月球的一壁,而无法看到月球的另一壁。

潮汐锁相走星的大气环流与地球的专门分歧。它们的大气环流在旭日面辐相符上升,在背阳面辐相符下沉,再经由过程边界层回到旭日面。这栽大气环流能够将水汽和炎空气从旭日面输送到背阳面,同时将冷空气从背阳面输送到旭日面。背阳面由于永久授与不到恒星辐射,温度很低,海洋有能够被冻结,水汽将凝固成冰雪,沉降到地外,并形成冰盖。因此,潮汐锁相走星背阳面是冰冻圈的发育区。

潮汐锁相走星背阳面冰川的厚度取决于诸多因素。主要因素是冰川底部地炎通量的强度,地炎通量越大,冰川越不容易变厚,被冻结在背阳面的水分就越少。其次,在重力作用下,背阳面冰川会发生自背阳面向旭日面的起伏,当冰川流回到旭日面时,将被融化,形成湖泊或者海洋。倘若走星的水分较少,水分很容易被冻结在背阳面,那么此类走星是不宜居的。倘若走星的水分有余多,即使片面水分被冻结在背阳面,但旭日面仍将保留海洋,因此将是宜居的。海洋环流也能够将炎量从旭日面输送到背阳面,有效地添炎背阳面,使得背阳面冰川和海冰的厚度不至于太厚。

图 6 是行使海-气耦相符气候模式和冰川模式模拟的锁相走星背阳面陆地上的冰川厚度。在该模拟试验中,锁相走星的地炎通量和重力添速度均与地球的相通,背阳面冰盖厚度最大可达到 2 km,冰川移动最大速度是每年 1.0 m。以地球的海洋平均深度 4 km 为例,倘若一颗锁相走星背阳面的冰盖厚度为 2 km,其旭日面还答该有 2 km 深的海洋。但倘若整个海洋深度较浅,则很能够旭日面异国液态水存在,该走星将是非宜居的。

地球早期的 2 次“冰雪地球”事件和走星冰冻圈,有 2 点必要稀奇强调:①在分歧温度条件下,其他星体上的水冰物理特征与地球上水冰迥然分歧;在极低温度条件下,易蒸发分物质在其他星体上也能够形成冰冻圈,这在地球上是很难想象的。由于篇幅的相关,吾们并异国详述其中的基本物理原理。实际上,任何一栽物质的相态是温度和压力的函数,其中任何一个条件或两者的共同转折,都能够产生分歧的相态。在高温高压下,水变成一栽超级流体。在低温低压下,水冰强硬无比,能够是星体的壳层。另一个例子是,在吾们清淡的概念中,氢(H2)是一栽气体,但在高压下,H2 具有金属的特征,甚至能够导电。人们甚至认为,在木星的核心,由于大气压力专门大,H2 具有金属属性。

倘若把地球行为一颗走星来看待,其冰冻圈的演化历史不光是吾们意识其他走星冰冻圈的基础,也对理解地球水分的来源有主要意义。地球的水分是其形成之初就具有的,照样后期幼走星带中星体撞击地球带来的?现在,吾们对这一根本题目还异国答案。异日的幼走星探测,尤其是氢同位素测量有能够回答这一基础题目。地球历史上 2 次“冰雪地球”事件的形成机理及相关的科学题目照样是地球科学领域的一个钻研炎点。这些基础性题目是吾们意识走星地球宜居性的根本。

走星冰冻圈雄厚的多样性将极大地添深吾们对冰冻圈的理解。例如,火星两极不光存在水冰,还存在干冰;火星的次外层是否存在冻土和液态水是异日火星探测的现在的之一。太阳系雪线之外多多低走星和卫星均拥有雄厚的水分,以水冰的形势存在,并构成这些星体的壳层。除此之外,其他易蒸发组分如 CH4、N2、CO 也以固体形势存在,形成了与地球冰冻圈十足分歧的走星冰冻圈。

深空探测是走星冰冻圈钻研的主要手法。异日的深空探测,也将包括对走星冰冻圈的探测。在以前的 20 年,飞去土星体系的“卡西尼-惠更斯号”探测器和木星体系的“伽利略号”探测器为吾们挑供了很多关于冰卫星的不悦目测数据。“信使号”探测器对水星的不悦目测、“新视野号”探测器对冥王星及其卫星的不悦目测、“早晨号”探测器对谷神星的不悦目测,以及“罗塞塔号”探测器对“菲莱”彗星的探测,为钻研太阳系冰冻圈挑供了珍贵数据。吾国的“嫦娥”系列探月卫星对月球的探测,也极大地雄厚了吾们对月球冰冻圈的知识。现在,正在木星轨道的“朱诺号”探测器和将在异日 10 年内发射的“Europa Clipper”“JUICE”探测器将对木星的卫星进走更多维度的浓密不悦目测,有看确定木星卫星冰层的厚度、成分和流变性质,并对冰壳层下是否存在液态海洋进走更实在的推想。这些探测计划为晓畅太阳系冰冻圈和探测地外生命的存在具有至关主要的意义。

太阳系外宜居走星冰冻圈是系生手星宜居性钻研的一个炎点。现在,所发现的能够宜居走星绝大无数是潮汐锁相走星,其背阳面冰冻圈发育的强弱直接影响到旭日面是否有液态水存在,也影响到这些走星的宜居性。下一代太空看远镜也将不悦目测宜居走星的冰冻圈,吾们憧憬着更多激动人心的科学发现的到来。(作者:胡永云、杨 军、魏 强,北京大学 物理学院。《中国科学院院刊》供稿)

原标题:交付量暴跌94% 德国汽车业降至冰点

根据美国约翰斯·霍普金斯大学发布的实时统计数据显示,截至北京时间4月30日16时30分,美国新冠肺炎确诊病例累计1040488例,累计死亡60999例。

原标题:400米X20组,扎托佩克的长跑秘密武器

原标题:你好,五月

原标题:郭修田:预防痔疮,这四类人要特别注意

Powered by 极速三分彩 @2018 RSS地图 html地图

追求更好 技术支持