«Плутон не перестаёт нас удивлять»: зонд New Horizons впервые в истории наблюдений обнаружил жидкий азот на поверхности карликовой планеты

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

Руководитель миссии New Horizons Алан Стерн и его коллеги опубликовали свежее исследование, которое вполне можно назвать сменой геологического статуса Плутона. В Planetary Science Journal вышло исследование с первыми доказательствами выхода жидкого азота на поверхность Плутона. Изучены тёмные линейные полосы и размытые пятна в северной части азотного ледника Sputnik Planitia — структуры, вмороженные в конвекционные ячейки азотного льда. Съёмка 2015 года зафиксировала их с разрешением около 70 метров на пиксель.

Стерн и соавторы, включая специалистов по земной гляциологии, показывают, что эти образования по морфологии неотличимы от следов, оставляемых на ледниках Земли 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 обычных 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 укрупнение 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 потому 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. Значит, жидкость накапливается в подповерхностных резервуарах и выбрасывается эпизодически, по механизму, аналогичному на Земле. Критическая ширина трещины для чистого азота — около 15 сантиметров, а для смеси азота с твёрдыми органическими толинами — до метра. Такие 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 укрупнением ледяных зёрен при контакте с жидкостью — этот эффект хорошо известен на Земле по дренажным каналам и талым прудам на Гренландском ледяном щите.

Авторы указывают, 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, сходные процессы тоже вполне могут происходить прямо сейчас.

Результат меняет представление о Плутоне как об объекте, где активность исчерпывается конвекцией азотного льда с периодом около 500 тысяч лет: теперь к ней добавляются современные эпизодические истечения жидкости, и этот новый класс изменяющихся во времени деталей ждёт проверки следующим поколением приборов у внешних планет.