На Плутоне, в районе вершин самых больших гор, обнаружены метановые «снежные шапки». По данным галлактического аппарата New Horizons и на базе математического моделирования атмосферы планетологи предложили разъяснение их возникновения. Снежный покров на Плутоне имеет хорошую от земной природу. Предполагается, что он возник в итоге остывания и конденсации из насыщенных метаном и наиболее тёплых воздушных масс на огромных высотах при контакте с прохладными склонами гор. Этот механизм противоположен земному механизму остывания тёплого воздуха с водяным паром при его подъёме на высоту.
В 2015 году зонд New Horizons, созданный для подробного исследования Плутона и остальных объектов пояса Койпера, открыл на Плутоне горы с верхушками, покрытыми снегом (см. отдельную статью о проекте New Horizons; также наиболее подробную информацию можно получить на официальной страничке миссии). Они напоминают снежные верхушки на Земле, но в Солнечной системе таковой пейзаж нигде больше не встречается. Поначалу белоснежные пятна на склонах самых больших гор на снимках Плутона интерпретировали как лёд, но позднее было установлено, что там находится и снег. На Земле температура воздуха падает с высотой (в среднем на 1˚C на 100 метров), но на Плутоне ситуация оборотная: температура с высотой увеличивается из-за того, что верхние слои атмосферы разогреваются под действием солнечного излучения, потому механизм образования снежных шапок должен быть различным невзирая на схожесть ландшафта.
Регион Ктулху около экватора Плутона и метановый покров на 2-ух самых больших хребтах. Аналогичный ландшафт на верхушках Альп на Земле (c). T. Bertrand et al., Nat Commun 11, 5056 (2020).
Экспериментальная группа на базе CNRS (французского Государственного центра научных исследовательских работ) предложила ответ на этот вопросец. Статья, объясняющая механизм формирования снежного покрова на Плутоне, размещена в октябре 2020 года в Nature Communications. Установлено, что «снег» на Плутоне состоит из замёрзшего метана CH4. Следы этого газа находятся в атмосфере Плутона так же, как водяной пар находится в атмосфере Земли.
Метан при температурах, соответствующих для орбит от Юпитера и далее, встречается и на остальных телах Галлактики. Так, на спутнике Сатурна Титане он делает такую же функцию, как и вода на Земле, обеспечивая полный гидрологический цикл (облака, дождики, водоёмы и метановый лёд) и тем образуя формы рельефа, идентичные с земными (см. отдельную статью про геоморфологическое картирование Титана). Плутон находится существенно далее и температура на нём составляет порядка 50 K на экваторе, потому «метановые реки» и настоящий гидрологический цикл метана на нём невозможны. Возможно, тут можно гласить лишь о действиях конденсации атмосферного метана сходу в твёрдую фазу и её сублимации.
Объектом исследовательских работ стал ландшафт одной из областей Плутона поблизости экватора, именуемой областью Ктулху, либо макулой Ктулху (макула в планетологии — это общий термин для маленьких тёмных участков на поверхности планет вне зависимости от их природы). Это регион с огромным количеством гор и кратеров к западу от большой низменности Sputnik Planitia. Он смотрится на снимках как тёмное пятно из-за низкой отражательной возможности поверхности и изрезанности рельефа, но на его маленький части, в районе 2-ух самых больших хребтов детальная съёмка выявляет отложения метана, которые отлично выделяются как светлые участки на фоне тёмных отрогов гор. В целом это припоминает альпийский пейзаж в том же масштабе, как на приведённом выше рисунке из работы (панель c справа).
Моделирование содержания метана в атмосфере Плутона поблизости экватора в зависимости от высоты. Nat Commun 11, 5056 (2020).
Чтоб найти, как ландшафт со снежными шапками может сформироваться в принципно хороших от Земли критериях, использовалась разработанная ранее, также по мотивам результатов New Horizons, глобальная климатическая модель Плутона. Она дозволяет высчитать метановый цикл на планетке, и в ней учитываются динамика и турбулентность атмосферы, разные механизмы термообмена, а также фазовый состав атмосферы Плутона с 3-мя главными компонентами — N2, CH4 и CO. Таковым образом удалось установить, что атмосфера Плутона в районе экватора на высоте около 4 км обогащена метаном посильнее, чем поблизости поверхности и выше данной нам отметки. Этому содействует динамика ветров и индивидуальности фазового равновесия атмосферных газов при всем этом сочетании температуры и высоты. Потому на горах, достигающих этих высот, может образоваться снежный покров. Механизм его формирования оборотный земному. Наиболее тёплые воздушные массы в больших слоях атмосферы соприкасаются с прохладными верхушками гор, что и вызывает конденсацию метана. Этому также содействует «роза ветров» из-за вращения планетки и рельефа. Метан может конденсироваться лишь на довольно больших верхушках, которые добиваются обогащённых метаном слоёв атмосферы. Ниже некого порога концентрация метана в атмосфере очень низкая и конденсации не происходит (самые высочайшие горы на Плутоне, горы Тенцинга, имеют высоту около 3,5 км).
На Земле работает оборотный механизм: тёплый воздух около поверхности, обеспеченный водяным паром, поднимается ввысь. Конденсация водяного пара происходит при его охлаждении в верхних слоях (остывание в основном идёт за счёт адиабатического расширения в областях наиболее низкого давления при подъёме воздушных масс на высоту).
Ранее таковой процесс снегообразования не рассматривался в качестве вероятного механизма для Плутона. Меж тем снежный либо ледяной покров с высочайшей отражательной способностью создаёт положительную оборотную связь, что отлично понятно на примере Земли и Марса: раз возникнув, снежная шапка содействует предстоящему остыванию этого участка и, как следует, разрастанию снежной шапки. Это исследование посодействовало разъяснить происхождение типичных частей рельефа в виде остроконечных пиков на остальных участках планетки. Сейчас можно представить, что они тоже образуются с ролью метанового льда.
Образование снежных шапок на Земле и на Плутоне. В земных критериях вода конденсируется на высоте из-за разрежения и остывания воздушных масс при подъёме. На Плутоне метановый лёд появляется на верхушках гор, достигающих тёплых и обогащённых метаном слоёв атмосферы. Tanguy Bertrand et al.