春分日出，大氣涌流，揭開卡戎紅色冰蓋神秘面紗
「大氣涌流「為卡戎披上紅色冰蓋
這是冥王星最大的衛星，卡戎。自2015年新視野號飛掠冥王星系統以來，它的紅色冰蓋一直困擾著科學家們。身處外太陽系的極寒之下，為什麼一個冰封世界的極冠會是紅色的？現在，科學家們認為他們已經找到了答案。
圖片來源：NASA/ JHUAPL/ 西南研究院（SWRI）
卡戎是冥王星的五個衛星之中最大的一個。2015年，NASA的新視野號太空探測器飛越冥王星，第一次近距離觀測到了這個神秘的世界。這顆衛星具有環形山和深邃的峽谷，還有一座看起來像是坐在船里的古怪的孤立山峰。除此之外，卡戎還有另一個奇怪的特徵：一頂巨大的紅色「帽子」，坐落於它的北極。它像極了極地的冰冠，只是它是紅色的。2022年6月22日，來自德克薩斯州聖安東尼奧市西南研究院 (SwRI) 的科學家們宣稱他們已經知道它的形成過程。
在他們的解釋中，卡戎稀薄大氣層中隨季節變化的「大氣涌流」與紫外輻射和甲烷一同塑造出了這些獨特的紅色印記。研究人員們在兩篇論文中披露了更多關於他們發現的細節。
卡戎的紅帽子
來自新視野號的圖片第一次揭示了這個奇異的冰冠。在大致呈灰色的地表上，它看起來極其不尋常。蘭迪·格拉德斯通，新視野號科研團隊的一員表示道：在新視野號之前，最好的哈勃望遠鏡圖像中的冥王星也不過是一小團模糊不清的反射光線。除了在冥王星表面發現的那些迷人的地貌之外，這次飛掠揭示了卡戎星上的一個非比尋常的特徵——一個位於北極正中心的令人驚訝的紅色極冠。
所以，是什麼造就了它？來自新視野號的數據表明它大機率由泛紅的托林組成。托林是一種具有粘性的有機沉澱物，源於光線催化下的化學反應。根據理論，科學家們認為它是甲烷分子在太陽紫外射線下分解的產物。這些分子源於冥王星，最終在卡戎的北極表面上結冰。對於卡戎而言，星際氫分子散射出的萊曼阿爾法波段紫外線提供了所需的光照條件。
卡戎星上的另一個奇怪的特徵是一座山峰。這座形似山嶽的尖頂坐落於一處低洼的中心。新視野號於2015年7月14日拍攝了這張照片。
圖片來源：NASA/ JHUAPL/ 西南研究院（SwRI）
大氣中的季節性涌流塑造出卡戎的紅色冰蓋
形成極冠的另一個關鍵因素是卡戎的大氣層。儘管極端的稀薄，它依然經歷著季節的更替。發表於《地球物理研究通訊》的論文描述道：卡戎的外層大氣也許顯示出了極端的季節性活動，在它靠近晝夜平分點時，持續數個世紀的寂靜不時地被短命的涌流（大約持續四個地球年）所打破——當每兩年一度的春天降臨，日出使冰凍的甲烷脫離極地的永夜區。在漫長的冬夜裡，托林冰封在卡戎的表面上。
尤基瓦爾·蘭特，發布於《科學進展》的論文的第一作者說道：我們的發現指出了卡戎單薄大氣層之中激烈的季節性涌流，與此同時，光線分解沉積的甲烷冰霜的過程是找到卡戎紅色極地冰蓋源頭的關鍵。這是迄今為止人們在天體上觀測到，最為明顯、最具說明性的地表-大氣間互動的例子之一。
模擬卡戎星上的情景
為了找出可能形成紅色冰蓋的方式，研究人員們在實驗室里重現了卡戎地表的情形。實驗在西南研究院新成立的天體物理與空間科學實驗中心（CLASSE）里進行。研究團隊的基本目標是測量在萊曼-阿爾法波段的紫外線照射下，卡戎的冬季半球上形成並沉積的碳氫化合物的顏色和成分。研究員們使用了全新的卡戎大氣模型來分析這些結果。
事實上，他們發現了甲烷在卡戎北極被轉化為類似於托林的沉澱物的證據。蘭特解釋說：「我們團隊新穎的』動態光分解』實驗為星際間萊曼-阿爾法輻射對卡戎星上紅色物質的合成所作的貢獻設下了新的極限。在我們的實驗中，甲烷沉澱在一個高度真空的反應室內，暴露在萊曼-阿爾法光子的轟擊之下，以此高度還原卡戎極地的環境。「
新視野號觀測到的冥王星（左）和它最大的衛星卡戎（右）。這張照片由新視野號於2015年七月13、14日拍到的照片堆疊而成。圖片來源：NASA/ 約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室/ 西南研究院(SwRI)
卡戎星的稀薄甲烷大氣
在另一個模型里，研究人員模擬了這顆衛星單薄的甲烷大氣層。他們從中發現了季節性的涌流。本·提奧里斯，發布於《地球物理研究通訊》的論文的第一作者說道：「這個模型指向了卡戎大氣中』爆炸性的』季節脈動，源於冥王星系統環繞太陽的漫長旅程中，環境狀況的劇烈轉變。」
甲烷與乙烷
當卡戎北極的甲烷沉積物被分解，作為副產物，它們會釋放出乙烷。乙烷本身是無色的，然而科學家們表示，在卡戎星上，來自太陽風的電離輻射會把它變成紅色的。與此同時，乙烷保持凍結的時間長於甲烷。
蘭特說道：「我們認為來自太陽風的電離輻射會分解那些經受了萊曼-阿爾法輻射的極地冰霜，合成了更加複雜也更紅的物質，由此造就了這顆神秘衛星上奇特的反射率。乙烷比甲烷更不容易汽化，春季日出後的很長一段時間裡，它們依然被冰封在卡戎的地面上。暴露在太陽風之下，也許會使乙烷轉化為持久的紅色地表沉積物，構成卡戎的紅色冰蓋「
來自西南研究院的本·提奧里斯是發布於《地球物理研究通訊》的論文的第一作者。圖片來源：西南研究院
來自西南研究院的尤基瓦爾·蘭特是發布於《科學進展》的論文的第一作者。圖片來源：西南研究院（SWRI）
來自於《地球物理研究通訊》的論文：
乙烷，甲烷在這些光照狀況下反應的初級產物，也許不像甲烷那樣。它們也許會在極地的太陽升起、暴露於太陽風後，保持數十年的冰封狀態。極地乙烷在太陽風下的分解反應會合成更高階的耐火材料，它們或許會為卡戎北極地區的著色做出貢獻。
現在看來，科學家們幾乎已經解開了卡戎明亮極冠的奧秘。然而，那座陷在護城河般的窪地里的山峰依然需要更多的解釋。
底線：自2015年被觀測到以來，冥王星的衛星卡戎上的奇異紅色極冠一直困擾著科學家們。現在，研究人員們也許解開了卡戎紅色冰蓋的謎底。
BY:Paul Scott Andersonand
FY: 奈亞拉托離譜
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