水星的400摄氏度的热量可以帮助它自己制造冰

©NASA

水星的北极冰沉积

人们已经很难相信水星上有冰,那里白天的温度高达400摄氏度,或750华氏度。现在,一项即将进行的研究表明,离太阳最近的行星上的瓦肯热可能有助于形成一些冰。

科学界的共识是,和地球一样,小行星提供了水星的大部分水。但是,佐治亚理工学院的研究人员说,在从未见过阳光的极地陨石坑的角落里,极端的白天高温和零下200摄氏度的寒冷结合在一起,可能成为一个巨大的造冰化学实验室。

化学过程并不复杂。但是这项新的研究模拟了水星上的复杂条件,包括太阳风,太阳风向这个星球投掷带电粒子,其中许多是对这种化学反应至关重要的质子。该模型提供了一个可行的途径,让水在一个充满所有必要成分的星球上上升并聚集成冰。

“这不是什么奇怪的、离题的想法。自20世纪60年代末以来,这种基本化学机制已经在研究中被观察了几十次,”佐治亚理工学院化学与生物化学学院的研究员、该论文的第一作者布兰特·琼斯(Brant Jones)说。但那是在明确的表面上。将这种化学作用应用到复杂的表面,比如行星表面,是一项突破性的研究。”

热,简单的化学

汞表层土壤中的矿物质含有羟基(OH),它主要由质子产生。在这个模型中,极端的高温有助于释放羟基,然后激发它们相互碰撞,产生从地球表面飘散的水分子和氢分子。

一些水分子在阳光照射下分解,或者升到水星表面以上,但其他的分子降落在水星两极附近的陨石坑的永久阴影中,这些陨石坑遮挡了冰与太阳的接触。水银没有大气层,因此没有传导热量的空气,所以分子变成了隐藏在阴影中的永久冰川冰的一部分。

这有点像歌曲《加州旅馆》(Hotel California)。乔治亚理工学院化学与生物化学学院的教授、这项研究的首席研究员托马斯·奥兰多说:“水分子可以进入阴影,但他们永远不会离开。”奥兰多是乔治亚理工学院空间技术与研究中心的联合创始人。

琼斯说:“我们推测,在大约300万年的时间里,形成冰的总重量为1013公斤(10,000,000,000,000,000公斤或11023,11万吨)。”“这个过程很容易就能占到水星总冰量的10%。”

研究人员将于2020年3月16日(周一)在《天体物理学杂志通讯》上发表他们的研究结果。这项研究由美国宇航局太阳系探索研究虚拟研究所(SSERVI)项目和美国宇航局行星大气项目资助。

飞船证实了冰

2011年,美国国家航空航天局(NASA)的一个探测器开始绕水星运行,并证实了两极附近典型冰川的信号。信使号(水星表面、空间环境、地球化学和测距)传回的图像和数据证实了几年前地面雷达探测到的冰的特征。

这些冰是阴暗的,隐藏在水星两极环形山的永久阴影中,这些环形山被陨石和小行星留下的疤痕所侵蚀,很像地球的月球。事实上,这两个星球的相似之处,包括它们的大小,导致了许多比较,包括在两个星球上都有水冰的可能性。

人类已经在月球上发现了可能存在冰的微弱迹象,但几乎绝对肯定在水星上发现了冰,而且数量相当多。这引发了一些令人挠头的问题:如果小行星、彗星和陨石带着水撞击水星和月球,那么存在冰的差异是什么原因呢?水星接收到的水在月球上是行不通的吗?

他说:“我们模型中的过程在月球上不会产生这么大的效果。首先,没有足够的热量来显著激活化学反应,”琼斯说。

在另一个单独的项目中,奥兰多的实验室正在设计一个基于相同化学成分的系统,用于在月球上制造水,为未来在月球上设立太空站做准备。

“大磁龙卷风”

来自太阳风的质子在水星上要比在地球上多得多,在地球上,强大的磁场会把太阳风粒子(包括质子)甩回太空。水星的磁场强度只有水星的1%左右,它会将质子旋转到水星表面。

奥兰多说:“这些就像巨大的磁龙卷风,随着时间的推移,它们会在水星的大部分表面造成巨大的质子迁移。”

质子将自己植入地球上大约10纳米深的土壤中,在矿物质中形成羟基(OH),它们扩散到表面,热量在那里完成其余的工作。

琼斯说:“我承认,水星上的大量水是通过撞击小行星产生的。”“但还有一个问题是,充满水的小行星是从哪里得到这些水的。像这样的过程可能有助于它的形成。”

奥兰多说:“彗星或小行星实际上不需要携带水,因为单独与行星或月球的碰撞也会产生水。”“水星和月球总是会被小型流星体撞击,所以这一直都在发生。”

美国宇航局戈达德太空飞行中心的梅内劳斯·萨兰托斯参与了这项研究。该研究由美国宇航局的太阳系探索研究虚拟研究所(SSERVI)通过资助揭示或辐射对挥挥物的影响以及小行星和月球表面的探索研究小组(协议#NNA17BF68A揭示)和美国宇航局行星大气项目(协议#NNX14AH41G和#NNX14AJ46G)支持。任何发现、结论或建议都是作者的,而不一定是NASA的发起人的。

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