地球之外的冰雪世界——行星冰冻圈

 太阳系行星冰冻圈

太阳系雪线

相对于太阳系其他行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一样，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 颗固态行星，分别是水星、金星、地球和火星；而在太阳系雪线之外是 4 颗气态行星，分别是木星、土星、海王星和天王星。在太阳系雪线的内侧，水冰不可能在太阳直射下永久存在，很容易挥发成为水汽。而在太阳系雪线外围，星体温度已非常低；根据克劳修斯-克拉伯龙方程，水冰表面已很难挥发，因此，水冰是可以永久存在的，并在地质时间尺度上保持稳定状态。在太阳系雪线之外，除了 4 个气态巨行星，还拥有大量的矮行星、小行星和固态卫星，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组成的，通常被称为冰卫星。观测表明，多个冰卫星还拥有丰富的地质活动，如冰壳裂解、下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，冰冻圈的概念是丰富多彩的。

行星冰冻圈的研究对于理解和寻找生命起源，以及研究地球和其他行星的气候演变有着重要价值，也有为未来行星探测器乃至星际定居点提供重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 颗固态行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遍较小。水星由于质量太小而无法维持显著的大气层，地球的卫星——月球也如此。二者表面能够被太阳直射的部分都不可能有水冰存在，因为在太阳光照射下，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永久阴影区中是否存在水冰的争论，持续了整个 20 世纪。直到最近几年，“信使号”探测器和“嫦娥”系列探月卫星为我们提供了越来越多的证据，显示水星和月球极区陨石坑内的永久阴影区中存在有少量的水冰。金星由于其大气温室效应太强，近地面气温接近 500℃，地表不可能存在水或者冰。

火星曾是人类寻找液态水的首选。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显示，火星在 30 亿年前可能曾经存在丰富的液态水甚至海洋，但现在，火星中低纬度地区表面没有发现水冰，中低纬度地区的次表层是否存在冻土或水冰还不太清楚。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）接近；南极冰帽较小，直径约为 400 km，冰盖厚度与北极冰帽相当。火星两极冰帽都由水冰和干冰（固态 CO₂）组成，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变化，主要是由干冰的季节变化造成的：火星两极的冬季温度均低于 CO₂ 凝固的温度。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。在夏季，火星北极温度可高达 −68℃，超过了 CO₂ 的升华温度，因此其地表干冰升华进入大气层。相对而言，火星南极夏季温度很少超出 −125℃，因此干冰不易升华。这造成了火星南北两极冰帽成分的差异。这里特别需要指出的是，火星的冰冻圈已不仅仅涉及水冰，还包括干冰。因此，行星冰冻圈不仅包含水分的冰冻圈，其他大气成分的凝固也是行星冰冻圈的一部分。

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