Планетологи объяснили полигональность «сердца» на Плутоне

Планетологи выяснили, что процессы тепловой конвекции в азотном леднике, которые усиливаются за счет сублимации, действительно способны создать необычный ячеистый узор на поверхности льда, который наблюдается на Равнине Спутника на Плутоне. По расчетам ученых на карликовой планете эти процессы идут уже не менее одного миллиона лет, что согласуется с данными автоматической станции New Horizons. Статья опубликована в журнале Nature.

Сублимация льда представляет собой один из типичных геологических процессов, отвечающих за формирование элементов рельефа поверхности некоторых тел Солнечной системы. В частности, сублимация углекислого льда создала ряд впадин в южной полярной шапке Марса, а в высокогорных регионах Земли, таких как Чилийские Анды, наблюдаются необычные образования — пенитенты («кающиеся грешники»), образующиеся за счет сублимации снега. 

Предполагается, что сублимация льда играет важную роль в формировании поверхности Плутона, где могут действовать климатические циклы, связанные с конденсацией и сублимацией азотного льда. Его самые крупные запасы сосредоточены в «сердце» карликовой планеты — крупном леднике Регион Томбо, шириной около одной тысячи километров, который наблюдался в апреле 2015 года автоматической станцией New Horizons. Снимки, полученные аппаратом, выявили необычную полигональную поверхность ледника в области Равнины Спутника, природа которой стала предметом интереса ученых.

Группа планетологов во главе с Адриеном Морисоном (Adrien Morison) из Эксетерского университета опубликовала результаты моделирования влияния сублимации на структуру слоя азотного льда, где идут процессы тепловой конвекции, толщиной 5 километров. Ученые использовали код твердотельной конвекции StagYY и провели расчеты для различных значений числа Рэлея и контраста вязкости, предполагая для простоты ньютоновскую реологию. Атмосфера рассматривалась как оболочка, которая дает однородные граничные условия к слою льда, равномерная сублимация которого вела к падению температуры его поверхности. В моделях рассматривался временной период менее ста тысяч лет. Ученых интересовало, в каких случаях на поверхности будет создаваться структура из плоских многоугольников, ограниченных узкими впадинами.

Оказалось, что процессы конвекции, которым способствует сублимация льда, действительно способны создавать наблюдаемые полигональные структуры. Для этого требуется либо значение теплового потока у основания слоя льда в 0,3 милливатта на квадратный метр, что в 10 раз меньше, чем считалось ранее, либо в 30 раз более большой контраст вязкости, чем значение, использовавшееся в работе. Многоугольная структура, возникающая в результате реорганизации первичных конвективных нестабильностей, таких как мелкие шлейфы и нисходящие потоки, может формироваться в течение нескольких десятков или сотен тысяч лет. В случае Равнины Спутника эти процессы длятся не менее одного миллиона лет, что согласуется с данными наблюдений. 

Ученые считают, что процессы, идущие в азотном леднике Плутона, больше похожи на те, которые действуют в земных океанах, чем на те, которые идут на ледяных спутниках Юпитера или Сатурна. На других телах Солнечной системы, таких как Тритон, Умбриэль, Эрида или Макемаке, также могут действовать вышеописанные процессы — для этого необходимо наличие больших запасов льда (N₂, CO, CO₂ или CH ₄) с низкой вязкостью.

Обо всех открытиях, сделанных New Horizons, можно узнать у нас на сайте в отдельной теме.

Александр Войтюк