يمكننا أن نشكر مركبة الفضاء نيو هورايزونز التابعة لوكالة ناسا لفتح أعيننا على تعقيد بلوتو. في 14 يوليو 2015 ، جاءت المركبة الفضائية على بعد 12500 كيلومتر (7800 ميل) من الكوكب القزم. خلال التحليق ، كانت نيو هورايزونز قادرة على تمييز الغلاف الجوي لبلوتو وسطحه.
من بين الأشياء التي شاهدتها نيو هورايزونز كانت منطقة الجبال المغطاة بالثلوج.
هنا على الأرض ، كلما صعدت إلى الأعلى ، أصبح أكثر برودة ، وهو ما يفسر جبالنا المغطاة بالثلوج. ولكن في بلوتو ، هناك انعكاس في درجة الحرارة ، مما يعني أنه عكس الأرض: فكلما ارتفعت ، زادت درجة دفئها. إنه بسبب الإشعاع الشمسي. متوسط درجة حرارة الغلاف الجوي عند الارتفاع أعلى بعشرات الدرجات من سطحه.
فلماذا يوجد صقيع؟
تقع هذه المنطقة جنوب النطاق الاستوائي المظلم لبلوتو المسمى بشكل غير رسمي Cthulhu Regio ، وجنوب غرب سهول الجليد النيتروجينية الشاسعة المسماة بشكل غير رسمي Sputnik Planitia. الشمال في الاعلى؛ في الجزء الغربي من الصورة ، تمتد سلسلة من الجبال الساطعة شمالًا إلى Cthulhu Regio. تشير البيانات التركيبية لـ New Horizons إلى أن مادة الغطاء الثلجي اللامع التي تغطي هذه الجبال ليست مياه ، بل غاز الميثان الموجود في الغلاف الجوي الذي تكثف على شكل صقيع على هذه الأسطح على ارتفاعات عالية. الائتمان: ناسا / مختبر الفيزياء التطبيقية بجامعة جونز هوبكنز / معهد ساوث ويست للأبحاث.
عالج فريق من الباحثين ، بقيادة أعضاء من CNRS (المركز الوطني للبحث العلمي ، أو المركز الوطني الفرنسي للبحث العلمي) ، السؤال في دراسة جديدة. العنوان هو ' تغطي الجبال الاستوائية على بلوتو صقيع الميثان الناتج عن عملية فريدة في الغلاف الجوي. المؤلف الرئيسي هو تانجوي بيرتاند ، وهو حاليًا زميل ناسا لما بعد الدكتوراه في مركز أبحاث ناسا أميس. نُشرت الدراسة في مجلة Nature Communications.
عثرت شركة نيو هورايزونز على ثلوج في منطقة بيجافيتا مونتيس وإلكانو مونتيس الواقعة في بلوتو كثولهو البقعة المنطقة على خط الاستواء للكوكب. ثلج بلوتو ليس مثل ثلج الأرض ؛ إنه غاز الميثان المجمد ، وليس الماء المجمد. لكن بلوتو عالم متجمد مع غلاف جوي ضعيف ، وهناك كمية ضئيلة من الميثان في غلافه الجوي الرقيق للغاية. كيف تشكلت كالثلج على قمم الجبال؟
يحتوي سطح بلوتو على مجموعة رائعة من التضاريس التي لها ألوانها المميزة ، وتحكي قصة جيولوجية ومناخية معقدة. الائتمان: مجاملة NASA / JHUAPL / SwRI جدول المحتويات صفحة 2015 قسم التقرير السنوي: (15)
على الأرض ، تنخفض درجة الحرارة مع الارتفاع بسبب تبريد ثابت الحرارة . عندما يتحرك الهواء صعودًا على طول منحدر الجبل ، فإنه يتمدد ، مما يؤدي إلى التبريد. والعكس صحيح مع نزول الهواء: يصبح الهواء أكثر دفئًا. عندما يرتفع الهواء الرطب ، وعندما يبرد بدرجة كافية ، يتكثف ويسقط كالثلج. إنها ظاهرة مفهومة جيدًا هنا على الأرض ، لكنها لا تستطيع تفسير جليد بلوتو.
على الأرض ، تنخفض درجة الحرارة مع الارتفاع بحوالي درجة واحدة مئوية كل 100 متر. على بلوتو ، يكون الجو أكثر دفئًا عند الارتفاعات العالية. ولكن على بلوتو ، لا يزال هناك صقيع من غاز الميثان أو ثلوج على ارتفاعات عالية. حقوق الصورة: Tanguy Bertand et al. 2020.
استخدم الفريق نموذجًا مناخيًا لمعرفة كيفية تساقط ثلوج الميثان على الجبال. الغلاف الجوي الرقيق لبلوتو يتكون في الغالب من النيتروجين ، مع كميات ضئيلة من الميثان وأول أكسيد الكربون. مع وجود كميات ضئيلة من غاز الميثان ، يصعب حساب كل هذا الثلج.
من خلال العمل مع نموذج المناخ ، قرر الباحثون أن ديناميكيات الغلاف الجوي لبلوتو تركز الميثان على ارتفاعات أعلى. فقط على قمم الجبال يوجد ما يكفي من الميثان لتكوين الثلج. على ارتفاعات منخفضة ، لا يوجد ما يكفي من غاز الميثان.
نظرًا لأن بلوتو لا يحتوي على غلاف جوي سميك وعازل مثل الأرض ، فإن الكوكب القزم يكون أكثر دفئًا على ارتفاعات أعلى بسبب الإشعاع الشمسي ، حيث يمتص الميثان الحرارة في الغلاف الجوي. هذا ساري المفعول في أول بضعة كيلومترات في الارتفاع. لا تحدث عملية امتصاص الميثان للحرارة في المناطق التي يوجد بها جليد نيتروجين على السطح ، لأنه يمكن أن يتصاعد ويبرد أول كيلومترات قليلة من الارتفاع في الغلاف الجوي.
أ) خريطة نيو هورايزونز لمنطقة جنوب شرق كثولو على بلوتو ، الواقعة في المناطق الاستوائية غرب سبوتنيك بلانيتيا. يشير المربع الأصفر إلى حدود المنطقة الموضحة بالتفصيل في (ب). ب) تفاصيل حواف CH4 المغطاة بالصقيع لـ Pigafetta و Elcano Montes داخل Cthulhu Macula (148.2 درجة شرقًا ، 10.1 درجة جنوبًا) ، تُرى في صورة ملونة Ralph / MVIC محسّنة (680 ميكرون / بكسل ، إسقاط أسطواني). ج) منظر القمر الصناعي لسلاسل الجبال المغطاة بالجليد في جبال الألب.
الغلاف الجوي لبلوتو رقيق جدًا لدرجة لا تسمح بتسخين سطح الكوكب ، لذلك عندما لا يكون هناك نيتروجين متجمد على السطح ، يكون هناك 'توازن إشعاعي محلي'. هذا التوازن مستقل عن الارتفاع وهو أبرد من الغلاف الجوي فوقه.
نتيجة لذلك ، يتم تبريد الهواء القريب من السطح ، ويصبح أكثر كثافة ، ويريد أن يتدفق إلى أسفل طوال الوقت. تظهر محاكاة المناخ من قبل باحثين آخرين أن هذه الآلية موجودة في جميع أنحاء بلوتو ، وفي جميع أوقات اليوم. والنتيجة هي أن رياح المنحدر تهيمن على بلوتو. هذا هو السبب في أن تكوين الثلج محير للغاية. إنها مختلفة تمامًا عن الأرض ، حيث يبرد الهواء أثناء ارتفاعه ويترسب رطوبته مثل الثلج على الجبال.
'من اللافت للنظر أن ظاهرتين ومادتين مختلفتين تمامًا يمكن أن تنتج نفس المشهد عند رؤيتها بدقة مماثلة.'
من 'الجبال الاستوائية على بلوتو مغطاة بصقيع الميثان الناتج عن عملية الغلاف الجوي الفريدة'
وجد فريق الباحثين أن الغلاف الجوي لبلوتو يدور بطريقة تتركز فيها غاز الميثان على ارتفاعات أعلى. هذا الدوران موسمي ، ويقوده التسامي على السطح. يشير المؤلفون إلى هذا باسم 'خلايا الدورة الدموية التي يسببها التسامي'. عندما يصبح الميثان أكثر تركيزًا ، فإنه يصل إلى نقطة التشبع ويسقط كالثلج على سطح الجبال.
هذه صورة من المحاكاة التي أجراها الفريق في دراستهم. يظهر المتوسط النهاري لحصة خلط الميثان. تمثل الخطوط السوداء الرياح السطحية التي تعمل على تركيز غاز الميثان. كما يظهر الشريط الموجود على اليمين ، يمثل اللون الأحمر تركيزات أعلى من الميثان على ارتفاعات أعلى ، وتشكل صقيعًا على الجبال. حقوق الصورة: Bertand et al. ، 2020.
هناك حلقة تغذية مرتدة متضمنة أيضًا. عندما يتشكل ثلج الميثان على الجبال ، فإنه يزيد من بياض البيض ، مما يؤدي إلى مزيد من التبريد. مع المزيد من التبريد يأتي المزيد من ثلج الميثان.
تظهر هذه الصور من الدراسة تراكمات ثلج الميثان في المنطقة المظللة باللون الأصفر في الصورة السابقة. البني عبارة عن مناطق سطحية خالية من المتطايرة ، والرمادي هو الغطاء الجليدي النيتروجين المتجمد في Sputnik Planitia. يظهر اللون الأزرق إلى الأبيض تراكمات متزايدة من جليد الميثان. الصورة على اليمين هي نفس المحاكاة ولكن مع زيادة تأثير البياض. الصور مأخوذة من محاكاة مناخية أجراها الباحثون. خطوط الكنتور 300 م. حقوق الصورة: Bertand et al. ، 2020.
“بشكل عام ، فإن تشكيل CH4يبدو أن الصقيع على قمة جبال بلوتو مدفوع بعملية مختلفة تمامًا عن تلك التي تشكل الجبال المغطاة بالثلوج على الأرض ، وفقًا لنموذجنا '، كتب الفريق في ختام ورقتهم. 'من اللافت للنظر أن ظاهرتين ومادتين مختلفتين تمامًا يمكن أن تنتج نفس المشهد عند رؤيتها بدقة مماثلة.'
هذا مجرد مثال آخر على تعقيد بلوتو. قبل تحليق نيو هورايزونز بالقرب من الكوكب القزم ، لم يكن لدينا أي فكرة أن السطح والغلاف الجوي والمناخ كانت معقدة للغاية. لا يزال العلماء يعملون مع جميع البيانات من المهمة ، لذا من يدري ما الذي لا يزال ينتظر اكتشافه.
بعد اقترابها الأقرب من بلوتو ، نظرت نيو هورايزونز إلى الكوكب مرة أخرى والتقطت هذا المنظر القريب من غروب الشمس لجبالها الجليدية الوعرة وسهولها الجليدية المسطحة. الامتداد السلس لـ Sputnik Planitia (على اليمين) محاط إلى الغرب (على اليسار) بجبال وعرة يصل ارتفاعها إلى 11000 قدم (3500 متر). يريد البعض إرسال مهمة أخرى إلى بلوتو ، هذه المرة مركبة مدارية. حقوق الصورة: NASA / JHUAPL / SwRI
هناك أيضًا حديث عن مهمة أخرى. أجرت نيو هورايزونز تحليقًا بالقرب من قزم الجليد فقط ، لذا فإن أفضل بياناتها تقتصر على جانب واحد من العالم البعيد. كان عالم الكواكب آلان ستيرن هو الباحث الرئيسي في مهمة نيو هورايزونز ويعتقد أن مهمة مدارية بلوتو هي الخطوة التالية. يمكن أيضًا أن يكون المسبار جزءًا من تلك المهمة.
