地球之外的冰雪世界——行星冰凍圈

 太陽系行星冰凍圈

太陽系雪線

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

行星冰凍圈的研究對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值，也有為未來行星探測器乃至星際定居點提供重要的能量和物質來源的潛力。

火星冰凍圈

在太陽系雪線內側，4?顆固態行星在太陽系形成之初就是貧水的，因此它們冰凍圈的范圍普遍較小。水星由于質量太小而無法維持顯著的大氣層，地球的衛星——月球也如此。二者表面能夠被太陽直射的部分都不可能有水冰存在，因為在太陽光照射下，冰將很快升華并逃逸到太空。關于水星和月球兩極隕石坑內永久陰影區中是否存在水冰的爭論，持續了整個?20?世紀。直到最近幾年，“信使號”探測器和“嫦娥”系列探月衛星為我們提供了越來越多的證據，顯示水星和月球極區隕石坑內的永久陰影區中存在有少量的水冰。金星由于其大氣溫室效應太強，近地面氣溫接近?500℃，地表不可能存在水或者冰。

火星曾是人類尋找液態水的首選。火星全球平均溫度低于??60℃，其極區冬季溫度低于??150℃。盡管一些地貌特征和沉積物顯示，火星在?30?億年前可能曾經存在豐富的液態水甚至海洋，但現在，火星中低緯度地區表面沒有發現水冰，中低緯度地區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）。火星北極冰帽較大，直徑約為?1?100?km，厚度?2—3?km，整個冰帽的體積約為?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。火星兩極冰帽都由水冰和干冰（固態?CO₂）組成，相對來講，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性變化，主要是由干冰的季節變化造成的：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?在兩極地區凍結并沉降，形成干冰。在夏季，火星北極溫度可高達??68℃，超過了?CO₂?的升華溫度，因此其地表干冰升華進入大氣層。相對而言，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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