科學家在水星上發現水冰!水星離太陽那麼近,為何水還會結冰?

天空之城 2022/08/28 檢舉 我要評論

人類在對宇宙深空進行探測時,往往都包含著一項重要任務,那就是在行星「陣營」中試圖尋找生命存在的證據,其中最關鍵的一個指標就是看是否存在著水資源。在太陽系中,火星、月球乃至更遠的木星、土星的一些衛星中,科學家們都發現了大量水冰存在的痕跡。

近地行星的不同境況

作為太陽系內行星(巖質行星)的四大星球來說,在漫長的演化歷程中形成了目前迥異的狀態:

地球處于太陽系宜居帶的中心,不但擁有廣袤的海洋,而且還有無數活躍的生命體;

火星處于太陽系宜居帶的外緣,氣溫偏低,質量又比較小,內核活動的提早停止,使其失去了磁場和絕大部分的大氣,表面一片荒涼,不過在兩極和一些隕石坑內部,清晰地顯現出存在著大量水冰;

金星處于太陽系宜居帶的內緣,由于歷史上火山噴發異常強烈,大量二氧化碳、二氧化硫等氣體噴灑出來,形成了濃厚的大氣層,以二氧化碳為主的大氣層產生了強烈的溫室效應,表面平均溫度高達465攝氏度。再加上云層中含有大量硫酸霧滴,經常爆發強烈的閃電和硫酸雨,所以表面環境異常惡劣,成為太陽系行星中平均溫度最高、氣候最為惡劣的行星;

水星是所有行星距離太陽最近的天體,平均距離只有5800萬公里,表面的形態和月球有類似之處,隕石坑、早期巖漿流印跡清晰可見。由于質量較小,內核熱量散失速度快,磁場很早就消失,再加上受到太陽風影響最為嚴重,因此大氣層非常稀薄。其表面的平均溫度,在太陽系行星中僅次于金星,達到430攝氏度。

阿雷西博射電望遠鏡的發現

大家知道,水冰能夠存在的條件,溫度是最為關鍵的,像水星表面400多度的高溫環境,理應不具備水冰存在的條件。但是,通過科學家們幾十年的觀測研究,還真的發現了水星上面存在水冰的證據。

早在1991年,位于波多黎各的阿雷西博射電望遠鏡(2020年已經坍塌損毀,退出歷史舞台),向水星發射了一組強電磁波信號,經過十多分鐘之后,電磁波信號從水星返回,被位于美國西弗吉尼亞綠岸山區的綠岸射電望遠鏡所捕獲。

科學家們通過對發射的電磁波信號進行分析,結果發現了雷達信號的反射率要比預想的高很多倍,通過類比分析,科學家認為只有厚度達到數米、純度很高的水冰層,才會得到相同的結果。據此,科學家們推斷,在水星的兩極區域,或許存在著上億噸的水冰。

這里不得不對已經「退役」的阿雷西博望遠鏡點個贊,它不僅僅能夠向遙遠的宇宙深空發射無線電信號,而且還可以利用多波段的發射信號能力,來對一些近地天體開展精確的探測。在它的「一生」中,干過最多的活,當屬探測近地小行星,這里就應用到和探測水星一樣的雷達功能,對小行星表面的形態、持續觀測運行軌跡、精確計算所處的位置、預測走向等等,做出了極大的貢獻。

水星信使號探測器的驗證

因此,阿雷西博望遠鏡對水星的探測結果,科學家們對其準確性是非常認可的。在發現這一結果之后,一些科學家就馬不停蹄地對水星存在水冰的原因,來進行深入分析和論證。

從目前對水星大氣層的構成分析結果看,密度是極低的,僅有地球的100萬億分之一,但是通過之前的探測,還是能檢測出其中含有氫、氦、氧、碳、氬等氣體以及微量的水蒸汽。而聯想到水星在形成之初,大氣層還是存在的,其中水蒸氣的含量要比現在豐富得多。再加上來自遙遠區域的彗星撞擊,也會在水星上留下不少的水資源。當然,歷史上有水,并不代表著現在一定會有水冰,畢竟水星大氣層幾乎全被太陽風吹跑了。

所以,為了驗證阿雷西博望遠鏡的觀測結果,2004年美國發射了信使號水星探測器,攜帶了多種儀器來對水星進行軌道探測,其中既有能探測和繪制水星表面地形地貌的激光高度計,還有能夠探測水星磁場環境的磁力計,另外還有探測水星空間和地面元素比例、巖石組成、水冰存在與否的4種分光儀。

在利用上述儀器繪制出了水星表面的第一張中子通量圖,從這張圖中發現了在水星的兩極區域,存在著大量氫原子,而在太陽系中,氫原子往往來源于水分子,因此從某種意義上間接印證了水星上存在水冰的結論。

從水星的自轉角度看,它的自轉軸幾乎垂直于公轉軌道平面,因此它的兩極區域環形山的底部,是永遠也沒有機會被太陽光線照射到,再加上大氣非常稀薄,不能通過空氣對流來傳導熱量,所以在水星的兩極的部分地區,溫度將會相對很低,足以讓水分子以水冰的形式存在。

當然,信使號探測器僅僅完成了水星水冰的間接測量,科學家們通過推測的方式使所有的證據實現了「閉環」。而至于水星上面到底有沒有水冰,最直接的辦法就是從它的兩極區域進行采樣分析,或許不久的將來,水星關于水的謎團就會被解開。

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