冥王星上的Rayleigh–Bénard对流元胞

coolboy

冥王星离太阳如此之远以致于冥王星表面的辐射平衡温度极低，仅有37K。冥王星上面大气的主要成分是氮气（N2）。在如此低的温度下，几乎所有的氮气都凝固成固态氮，即冥王星的表面覆盖了估计有几公里厚的氮冰。这次7月14日美国新视野号飞越冥王星非常成功地进行了各方面的详细观测。据目前已传回的极少部分最新数据观测到了冥王星氮冰表面一些区域呈现出六角型的图案。从事流体力学不稳定性研究的人立刻可联想到这种六角型的图案刚好对应于所谓的Rayleigh–Bénard对流元胞，即由流体底部加热导致的热对流引起。由此可推测出冥王星表面氮冰层之下存在着能导致不稳定热对流的液态氮高温区。同时新视野号还观测到冥王星上具有一系列高达3.5公里左右的山脉。因为冥王星本身半径也就1185公里，如此高的山脉也就意味着冥王星内部具有比较强的地质活动。这种较强的地质活动能产生接近地表的加热过程而熔化氮冰。

coolboy

美国“旅行者2号”（Voyager 2）宇宙飞船在1989年飞经海王星（Neptune）时观测到海王星最大卫星“海卫一”（Triton）上存在两个巨大的喷泉（geyser）。喷泉的水平尺度在2公里到20公里，高度达8公里。

大家很久以前在中、小学就知道太阳系有九大行星，其中离太阳最远的行星叫冥王星。天文学家后来认为严格来讲，冥王星不能被称之为行星。假若冥王星也算行星的话，则太阳系中的行星那可多了去了。所以现在一般认为太阳系内共有八大行星。这时离太阳最远的行星就是海王星。

冥王星的大小及物理状态与“海卫一”相类似，故科学家也一直关心是否会存在类似的喷泉现象。结果这次新视野号飞越冥王星时尽管没观测到喷泉，但观测到了六角 型及可能相关的Rayleigh–Bénard对流元胞，进一步说明了冥王星与“海卫一”存在一定的相似性。

周华

是不是暗示冥王星是海卫一分裂出去的一部分？

fast

干缩、冷缩，现成的裂纹都是接近六边形的（泥裂，岩浆岩解理，等等），不一定需要下部有暖流，和R-B对流应该联系不大。

coolboy

周华 发表于 2015-7-18 12:22
是不是暗示冥王星是海卫一分裂出去的一部分？

星球的质量（及半径）和至太阳的距离是两个衡量相似度的重要参数。仅暗示两星体具有类似的物理过程（及演变史）。
冥王星绕日轨道的偏心率很大，故有时可能出现与海卫一相类似的至日距离。

coolboy

fast 发表于 2015-7-18 22:19
干缩、冷缩，现成的裂纹都是接近六边形的（泥裂，岩浆岩解理，等等），不一定需要下部有暖流，和R-B对流 ...

木星的几个卫星的冰面多呈现出纤维状、辐射状裂痕。六角型冰面裂痕好象很少见。有地球上湖面、江面上的六角型冰痕的图片吗？

fast

coolboy 发表于 2015-7-18 15:55
木星的几个卫星的冰面多呈现出纤维状、辐射状裂痕。六角型冰面裂痕好象很少见。有地球上湖面、江面上的六 ...

coolboy

fast 发表于 2015-7-19 00:57
http://pic36.nipic.com/20131223/10558908_002129363000_2.jpg

有意思的图片，谢谢。

水的密度比冰的密度大，故冰融化为水时体积减小。故若是冰层均匀受热发生变形、破裂，应该可形成等边型裂痕。若是局部受外力作用而破裂，则裂痕就成辐射状了（应该属于固体中点源非线性声波传播的例子）。

固态氮的密度比液态氮的密度要大。无论是外力还是内部的形变力都必须是近似均匀地作用于氮冰才能产生等边型裂痕。另一个可能当然就是底部的对流形成加热源已经先形成了等边型的分布。

coolboy

fast 发表于 2015-7-18 22:19
干缩、冷缩，现成的裂纹都是接近六边形的（泥裂，岩浆岩解理，等等），不一定需要下部有暖流，和R-B对流 ...

所谓“干缩、冷缩”应该可理解为（准）液态物向固态物的变化过程。冥王星表面大气与表面冰层也存在着相变交换过程。但在那极低的温度之下，只存在固-气两相的直接交换。表面不存在液态氮。

fast

干缩是多孔介质（土壤，一些复合材料，等等）中水分流失后体积收缩，这个最常见的就是泥裂了，粘性土泥裂的规则性最好，砂土形成的裂纹则不会很规则。另外，水和冰是冷胀热缩，所以结冰时容易形成多边形，融化是容易形成单向长裂纹，如果昼夜还有融冻交替，裂纹还会有波浪状隆起；如果气候很冷，则容易形成表面很平整的短纤维状裂纹（想某些茶具的冰裂纹那种模式）。不过氮的气液固三相转换还真没注意过，平时接触不到这个。
总体上，我的感觉是，浮在水面上的冰，裂纹形状与边界热流的关系很大，裂纹平整度与边界温度关系很大。至于冰川，我看与山坡的形状关系最大。

fast

coolboy 发表于 2015-7-18 19:18
所谓“干缩、冷缩”应该可理解为（准）液态物向固态物的变化过程。冥王星表面大气与表面冰层也存在着相变 ...

如果这玩意里面活动还很剧烈，外面温度又这么低，我觉得裂纹形成短纤维状分布的三角形和四边形的几率比五边形和六边形要大

coolboy

从理论上来讲，六角型是Rayleigh–Bénard对流元胞在理想条件下的唯一解。比如说，假定是五角型，则其每个内角是108度，你就无法用整数个五角型拼出360度所要求的全局性图案这一条件。实际情况自然很难满足理想条件。但若出现了这么几个六角型图案，则就大大地增加了氮冰层之下存在液态氮（而非直接的岩石）的可能性。这毕竟是在冰盖条件下的各星球上第一次观测到的现象。

fast

应该是的，如果下部没有液体，出现六边形的几率可能更小了。除非是“冰层”特别厚，而且外部环境变化频率又相对于扰动频率非常快或者非常慢。

coolboy

水分子的物理性质很有特色：固态水（即通常的冰）的密度反而小于液态水。由此，人们常常自然而然地假定固态的冰层之下（由于冰盖的绝热效应）会存在着液态的水。对之所需的理论及观测证据一般也不是要求非常、非常严格。比如说，木星的卫星“木卫二”（Europa）其表面就被约100公里厚的（水）冰层所覆盖。人们在理论上推测出冰层之下会有液态水的海洋，但好像并没有类似于“喷泉”、“六角型”图案等的直接观测证据。氮冰的密度要比液态氮的密度大得多，在那么寒冷的环境下，若仅仅是直观想象的话，则那重重的氮冰应该很容易下沉到底部而使得冥王星及“海卫一”的岩石表面通通地被氮冰所覆盖。

coolboy

fast 发表于 2015-7-19 13:30
干缩是多孔介质（土壤，一些复合材料，等等）中水分流失后体积收缩，这个最常见的就是泥裂了，粘性土泥裂的 ...

那多孔介质中的水分应该是以水滴或冰块的形式而存在着的。那么地球上的水以及象木卫二等不少星球上面目前观测到的不少水是从何处来的呢？对陨星或及在地球上得到的陨石的成分进行分析发现那看起来坚硬无比的陨石中其实还包含了大量的水分子。那大量的陨星块在万有引力的作用下慢慢地积聚到一起就形成了星球。那球核中间的陨星块在高压、高温的挤压下就把那些水分子释放、挥发出来而形成了星球表面的水圈、或水汽圈。那水或水汽同其他物质在太阳光的照射下及其它各种物理化学过程的作用下就慢慢地演变成了我们目前所观测到的万千气象，即各星球体所具有的各不相同的物理、化学状态。有些星体（如冥王星同海卫一）据有类似的演变环境（或参数），则我们也就可观测到它们目前所具有的类似的物理、化学特性。对这一专题进一步感兴趣的严肃读者，也可参考下面的专著：

Lewis, J. S., and R. G. Prinn, 1984: Planets and Their Atmospheres: Origin and Evolution. Academic Press, Inc., New York, 470 pp.

当年读研究生时修了一门《行星大气》的课，主要就是关于行星及其大气的生成和演变过程。上面就是该课程的主要参考书。