Зонд New Horizons сделал удивительное открытие: жидкий азот на Плутоне

Гигантские тёмные полосы на леднике Sputnik Planitia ведут себя как увлажнённые участки земных полярных щитов

Руководитель миссии New Horizons Алан Стерн и его команда представили новое исследование, которое можно считать изменением геологического статуса Плутона. В журнале Planetary Science Journal опубликовано исследование с первыми доказательствами выхода жидкого азота на поверхность Плутона. Были изучены тёмные линейные полосы и размытые пятна в северной части азотного ледника Sputnik Planitia — структуры, встроенные в конвекционные ячейки азотного льда. Съёмка 2015 года запечатлела их с разрешением около 70 метров на пиксель.

Стерн и его соавторы, включая экспертов в области земной гляциологии, демонстрируют, что эти образования по своей морфологии неразличимы от следов, оставляемых на земных ледниках дождём или подповерхностными выходами воды. Но жидкий азот физически не может выпадать дождём в атмосфере Плутона, следовательно, жидкость поступает из-под ледника.

Ключевой механизм связан с прекращением твердотельной конвекции, которая в нормальных условиях отводит тепло от основания ледника. Из-за долгопериодических колебаний азотного цикла с периодом около 3 миллионов лет северная часть Sputnik Planitia теряет массу и становится тоньше. Расчёты показывают, что при толщине слоя около 1 километра и геотермальном потоке от недр в 4–18 милливатт на квадратный метр конвекция подавляется: падение напряжений и увеличение ледяных зёрен резко повышают вязкость, теплоперенос становится кондуктивным, и температура у основания достигает точки плавления азота — около 63 кельвинов. Давление на глубине уже 20 метров превышает тройную точку (12,5 килопаскаля), так что жидкая фаза стабильна. У основания накапливается жидкий азот, который на 11% менее плотен, чем твёрдый, и поэтому стремится всплыть.

Оценки динамики подъёма показывают, что стационарная скорость плавления (не более 1 кубометра в секунду) не может поддерживать непрерывный поток по трещинам — для этого требуется расход свыше 25 кубометров в секунду. Это означает, что жидкость накапливается в подповерхностных резервуарах и выбрасывается эпизодически, по механизму, аналогичному земному. Критическая ширина трещины для чистого азота составляет около 15 сантиметров, а для смеси азота с твёрдыми органическими толинами — до метра. Эти трещины слишком узки для камер New Horizons, но выходящая жидкость растекается вдоль понижений на границах конвекционных ячеек и замерзает, оставляя тёмную полосу.

Потемнение объясняется либо выносом примесей из глубины ледника, либо резким увеличением ледяных зёрен при контакте с жидкостью — этот эффект хорошо известен на Земле по дренажным каналам и талым прудам на Гренландском ледяном щите.

Авторы подчеркивают, что ни на одном другом теле пояса Койпера подобные детали пока не зарегистрированы, однако более половины поверхности Плутона остаётся не отснятой в высоком разрешении. У Эриды, другого объекта с мощными азотными ледниками, аналогичные процессы также вполне могут происходить в настоящее время.

Полученные результаты изменяют представление о Плутоне как о теле, где активность ограничивается конвекцией азотного льда с периодом около 500 тысяч лет: теперь к ней добавляются современные эпизодические истечения жидкости, и этот новый класс изменяющихся со временем деталей ждёт проверки следующим поколением приборов у внешних планет.