Холодна пастка (астрономія)

Холодна пастка — це концепція планетознавства, яка описує територію, достатньо холодну для заморожування (уловлювання) летких речовин^[en]. Холодні пастки можуть існувати на поверхні безповітряних тіл або у верхніх шарах адіабатичної атмосфери. На безповітряних тілах лід, захоплений холодними пастками, потенційно може залишатися там протягом геологічних періодів часу, дозволяючи нам зазирнути в первісну Сонячну систему. У адіабатичних атмосферах холодні пастки запобігають виходу летких речовин (наприклад, води) з атмосфери в космос.

Холодні пастки на безповітряних планетарних тілах

На дно кратера Прокоф’єв^[en] поблизу північного полюса Меркурія ніколи не потрапляє сонячне світло.

Нахил осі деяких безповітряних планетних тіл у Сонячній системі, таких як Меркурій, Місяць і Церера, дуже близький до нуля. Гарольд Юрі вперше зазначив, що западини або кратери, розташовані поблизу полюсів цих тіл, відкидають стійкі тіні, які можуть зберігатися протягом геологічних періодів часу (мільйони-мільярди років). Відсутність атмосфери запобігає перемішуванню шляхом конвекції, що робить ці тіні надзвичайно холодними. Якщо молекули летких речовин, таких як вода, потрапляють у ці постійні тіні, вони потраплять у пастку на геологічні періоди часу.

Вивчення холодних пасток на безповітряних тілах

Оскільки ці тіні не отримують інсоляції, більша частина тепла, яке вони отримують, розсіюється та випромінюється навколишнім рельєфом. Зазвичай можна знехтувати горизонтальною теплопровідністю від сусідніх теплих областей через високу пористість і, отже, низьку теплопровідність верхніх шарів безповітряних тіл. Тому можна моделювати температуру цих постійних тіней за допомогою алгоритмів рей-кастингу або трасування променів у поєднанні з одновимірними моделями вертикальної теплопровідності. У деяких випадках, наприклад у чашоподібних кратерах, можна отримати вираз для рівноважної температури цих тіней.

Крім того, температури (і, отже, стабільність) холодних пасток можуть дистанційно вимірюватися орбітальним апаратом. Температури місячних холодних пасток були детально вивчені радіометром Diviner^[en] зі складу Lunar Reconnaissance Orbiter. На Меркурії докази наявності відкладень льоду всередині холодних пасток були отримані за допомогою радара, рефлектометрії та видимих зображень. На Церері космічний корабель Dawn виявив холодні пастки.

Атмосферні холодні пастки

У дослідженнях атмосфери^[en] холодна пастка – це шар атмосфери, який значно холодніший за нижчі та вищі шари. Наприклад, для тропосфери Землі температура повітря падає зі збільшенням висоти, досягаючи найнижчої точки приблизно на висоті 20 кілометрів. Цю область називають холодною пасткою, оскільки вона затримує висхідні гази з високими температурами кипіння, змушуючи їх падати назад на Землю. 

Деякі астрономи вважають, що через відсутність холодної пастки Венера та Марс втратили більшу частину рідкої води на початку своєї історії. Холодна пастка Землі розташована на висоті приблизно 12 км над рівнем моря, що значно нижче висоти, на якій водяна пара остаточно розділилася б на водень і кисень сонячними ультрафіолетовими променями, а водень незворотньо втрачався б у космосі. Через холодну пастку в земній атмосфері Земля фактично втрачає воду в космос зі швидкістю лише 1 міліметра океану кожні 1 мільйон років, що надто повільно, щоб вплинути на зміни рівня моря в будь-якому часовому масштабі, актуальному для людини. З такою швидкістю знадобляться трильйони років, набагато більше, ніж очікувана тривалість життя Землі, щоб уся її вода зникла (це також те, чому через кліматичні зміни, спричинені людиною, екстремальні погодні явища, такі як урагани та повені, посиляться найближчим часом термін, оскільки більш тепла атмосфера може утримувати більше вологи, і, отже, збільшити кількість зазначеної водяної пари, що повертається у вигляді опадів, оскільки навіть тоді холодна пастка все одно запобігатиме втраті водяної пари у космос, і тому атмосфера Землі все ще занадто холодна щоб це сталося), хоча остаточне нагрівання Сонця в міру його старіння лише послабить холодну пастку протягом наступних мільярдів років, зробивши земну атмосферу ще теплішою, що штовхає холодну пастку ще вище в атмосферу, а отже, спричиняючи втрату здатності запобігти дисоціації водяної пари на водень і кисень під дією ультрафіолетових променів Сонця та виходу водню у космос, через що Земля остаточно втратить свої океани в космос приблизно за 1 мільярд років, задовго до того, як Сонце нарешті перетворюється на червоного гіганта.

Як зазначають Пітер Уорд^[en] і Дональд Браунлі^[en] у своїй книзі «Життя і смерть планети Земля»^[en], поточний процес фактичної втрати океанів був задокументований лише двічі, вперше під час місії «Аполлон-16» на Місяць (хоча випадково, коли астронавти спостерігали за Землею за допомогою унікальної камери Carruthers^[en], яка була створена та використана лише один раз для цієї конкретної місії, оскільки такий процес можна спостерігати лише в ультрафіолетовому світлі та лише з Місяця, через відсутність атмосфери, яка блокувала б ультрафіолетове світло), а також у 1990-х за допомогою досліджень астронавтів, зроблених під час перебування на борту космічного човника.

Супутник Сатурна Титан має дуже слабку холодну пастку, яка здатна затримати лише частину його атмосферного метану. Таким чином, припускається, що Титан є найближчим аналогом того, як виглядатиме земна атмосфера, коли земна холодна пастка вийде з ладу, з метаном замість води та вуглеводневими продуктами фотохімічних реакцій замість кисню й озону.

Вважається, що холодні пастки працюють для кисню на Ганімеді.

Примітки

1. Lucey, P. G. (2009). The Poles of the Moon. Elements. 5 (1): 41—6. doi:10.2113/gselements.5.1.41.
2. Rubanenko, Lior; Aharonson, Oded (2017). Stability of ice on the Moon with rough topography. Icarus. 296: 99—109. Bibcode:2017Icar..296...99R. doi:10.1016/j.icarus.2017.05.028.
3. Watson, Kenneth; Murray, Bruce C.; Brown, Harrison (1961). The behavior of volatiles on the lunar surface (PDF). Journal of Geophysical Research. 66 (9): 3033—45. Bibcode:1961JGR....66.3033W. doi:10.1029/JZ066i009p03033.
4. Vasavada, A; Paige, David A.; Wood, Stephen E. (1999). Near-Surface Temperatures on Mercury and the Moon and the Stability of Polar Ice Deposits. Icarus. 141 (2): 179—93. Bibcode:1999Icar..141..179V. doi:10.1006/icar.1999.6175.
5. Buhl, David; Welch, William J.; Rea, Donald G. (1968). Reradiation and thermal emission from illuminated craters on the lunar surface. Journal of Geophysical Research. 73 (16): 5281—95. Bibcode:1968JGR....73.5281B. doi:10.1029/JB073i016p05281.
6. Paige, D. A.; Siegler, M. A.; Zhang, J. A.; Hayne, P. O.; Foote, E. J.; Bennett, K. A.; Vasavada, A. R.; Greenhagen, B. T.; Schofield, J. T. (2010). Diviner Lunar Radiometer Observations of Cold Traps in the Moon's South Polar Region. Science. 330 (6003): 479—82. Bibcode:2010Sci...330..479P. doi:10.1126/science.1187726. PMID 20966246.
7. Harmon, J; Perillat, P. J.; Slade, M. A. (2001). High-Resolution Radar Imaging of Mercury's North Pole. Icarus. 149 (1): 1—15. Bibcode:2001Icar..149....1H. doi:10.1006/icar.2000.6544.
8. Neumann, G. A.; Cavanaugh, J. F.; Sun, X.; Mazarico, E. M.; Smith, D. E.; Zuber, M. T.; Mao, D.; Paige, D. A.; Solomon, S. C. (2012). Bright and Dark Polar Deposits on Mercury: Evidence for Surface Volatiles. Science. 339 (6117): 296—300. Bibcode:2013Sci...339..296N. doi:10.1126/science.1229764. PMID 23196910.
9. Rubanenko, L.; Mazarico, E.; Neumann, G. A.; Paige, D. A. (2017). Evidence for Surface and Subsurface Ice Inside Micro Cold-Traps on Mercury's North Pole. 48th Lunar and Planetary Science Conference. 48 (1964): 1461. Bibcode:2017LPI....48.1461R.
10. Chabot, N. L.; Ernst, C. M.; Denevi, B. W.; Nair, H.; Deutsch, A. N.; Blewett, D. T.; Murchie, S. L.; Neumann, G. A.; Mazarico, E. (2014). Images of surface volatiles in Mercury's polar craters acquired by the MESSENGER spacecraft. Geology. 42 (12): 1051—4. Bibcode:2014Geo....42.1051C. doi:10.1130/G35916.1.
11. Schorghofer, Norbert; Mazarico, Erwan; Platz, Thomas; Preusker, Frank; Schröder, Stefan E.; Raymond, Carol A.; Russell, Christopher T. (2016). The permanently shadowed regions of dwarf planet Ceres. Geophysical Research Letters. 43 (13): 6783—9. Bibcode:2016GeoRL..43.6783S. doi:10.1002/2016GL069368.
12. Brewer, A. W. (Oct 1949). Evidence for a world circulation provided by the measurements of helium and water vapor distribution in the stratosphere. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 75 (326): 351—363. Bibcode:1949QJRMS..75..351B. doi:10.1002/qj.49707532603.
13. Strow, Thompson (1977). Astronomy: Fundamentals and Frontiers. Quinn & Boden. с. 425.
14. Lewis, B. R.; Vardavas, I. M.; Carver, J. H. (June 1983). The aeronomic dissociation of water vapor by solar H Lyman α radiation. Journal of Geophysical Research. 88 (A6): 4935—4940. Bibcode:1983JGR....88.4935L. doi:10.1029/JA088iA06p04935.
15. Nicolet, Marcel (July 1984). On the photodissociation of water vapour in the mesosphere. Planetary and Space Science. 32 (7): 871—880. Bibcode:1984P&SS...32..871N. doi:10.1016/0032-0633(84)90011-4.
16. Caldeira, K; Kasting, J F (December 1992). The life span of the biosphere revisited. Nature. 360 (6406): 721—23. Bibcode:1992Natur.360..721C. doi:10.1038/360721a0. PMID 11536510. S2CID 4360963.
17. Titan and Earth's Future Atmospheres: Lost to Space. NASA Solar System Exploration. 26 серпня 2009.
18. Lunine, J. I. (Feb 2009). Titan as an analog of Earth's past and future. EPJ Web of Conferences. 1: 267—274. Bibcode:2009EPJWC...1..267L. doi:10.1140/epjconf/e2009-00926-7.
19. Vidal, R. A.; Bahr, D.; Baragiola, R. A.; Peters, M. (1997). Oxygen on Ganymede: Laboratory Studies. Science. 276 (5320): 1839—42. Bibcode:1997Sci...276.1839V. doi:10.1126/science.276.5320.1839. PMID 9188525.