地球之外的冰雪世界——行星冰冻圈

谷神星冰冻圈

谷神星是位于小行星带的最大星体，属于矮行星范畴，距离太阳 2.8 AU，介于火星和木星之间，直径 940 km。现有的研究和探测表明，谷神星的壳层厚度约为 40 km，含有至少 40% 的水冰，其他是岩石成分。2015 年，美国国家航空航天局（NASA）的“黎明号”探测器表明，谷神星表面为水冰、盐和水合矿物的混合物，可能还有水合包络物。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，小行星带内的许多小星体也主要是由水冰所组成。一些研究建议，地球水分中的相当一部分是在晚期大轰击时期（距今 42 亿—38 亿年前），由小行星带内富含水的星体撞击地球带来的。因此，研究地球之外的冰冻圈对我们理解地球水的来源和生命演化极为重要。

冰卫星

木星和土星是 2 颗气态巨行星，拥有诸多卫星，而这些卫星中许多是由水冰组成的；此外，土星美丽的光环也主要是由水冰颗粒组成的。

水冰覆盖了木卫二（Europa）、木卫三（Ganymede）和木卫四（Callisto）的表面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完全不同。在这些卫星的水冰壳层之下，很可能存在着液态海洋。因为液态水是生命存在的首要条件，所以木卫二受到了最广泛的关注。20 世纪 70 年代发射的“旅行者号”探测器拍下的大量照片显示，木卫二的水冰表面布满了纵横交错的山脊—山谷—山脊状裂纹。此外，还有约占表面积 1/4 的冰川表面“破裂”为数千米大小的破碎多边形单元，显示在引力潮汐作用下，木卫二壳层下液体流动的痕迹。根据这些观测，很多科学家相信木卫二的水冰壳层下存在一个较深厚的海洋。重力场测量表明木卫二外圈冰层和可能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类似。以土卫二为例，其密度约为 1 600 kg · m⁻³，对应着约 60% 的岩石和 40% 的水/冰，其表层是一层水冰壳层，而壳层下可能存在一个全球性的海洋。土卫二有着令我们始料未及的地质活动强度：年轻的南极冰壳层有 4 条平行的裂纹——“老虎纹”（tiger stripe），不断喷发出超音速冰粒、水蒸气和其他气体，达到几百公里的高度（图 4）。喷发物大部分落回土卫二表面，而约有 9% 的物质在土星引力作用下，成为壮观的土星环的一部分（E 环）。土星美丽的光环也主要是由水冰颗粒所组成。“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），以及少量较重的碳氢和有机化合物。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研究，特别是成为寻找生命起源的一个重要研究目标。

土卫六又称“泰坦”，是太阳系中唯一拥有浓密大气的卫星。大气中的 CH₄ 和 N₂ 发生光化学反应，生成高阶碳氢化合物和腈类物质，形成的有机气溶胶颗粒成为土卫六大气中的霾。“卡西尼号”飞船通过雷达发现在土卫六不到 100 K 表面温度下存在一系列的 CH₄ 湖，小的不到 10 km³，最大的克拉肯海达到 500 000 km³。土卫六是目前已知的地球之外唯一在表面拥有稳定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似，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，表明土卫六上可能有间断发生的液态 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许多鹅卵石大小的、可能包裹了碳氢化合物的水冰。

 冥王星

在太阳系外侧的柯伊伯带有众多小星体，这些小星体主要由水冰组成。冥王星是其中最大的一个星体，属于矮行星范畴，其壳层主要由水冰构成。冥王星表面温度 30—60 K，在如此低的温度条件下，N₂、CH₄ 和一氧化碳（CO）等易挥发物质都以固态冰的形式存在，并与一些光化学产生的有机物一起覆盖在由水冰构成的“基岩”上。这些易挥发性冰的厚度和成分比例随温度变化呈现显著的变化。与土卫六类似，冥王星的冰冻圈也是与大气圈密切耦合在一起的，其大气压力由氮冰的饱和蒸气压所控制：在远日点时，冥王星表面温度较低，大气压也较低；而在近日点时，表面温度较高，N₂、CH₄ 和 CO 挥发进入大气，大气压也随之升高。

“新视野号”探测器在飞越冥王星时拍摄的照片显示，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，四周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）。该平原上覆盖着数千米厚的易挥发冰层，主要成分是 N₂，还有少量 CH₄ 和 CO。观测表明，这层氮冰能够进行固体对流运动，还能够通过黏性流动不断更新其表面。

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