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【前沿報道】Nature Geoscience:月球與水星上淺隕石坑中的厚冰沉積
2019-10-08 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  月球與水星這類天體由于有著較小的自轉軸傾角,在它們的極地低洼地區會存在永久陰影區。如果足夠冷,這種永久陰影區就可以像冷阱一樣將揮發分捕獲并保存數十億年,其中一種揮發分就是水冰。利用阿雷西博(Arecibo)射電望遠鏡和信使號(MESSENGER)探測器收集的數據表明,在水星上的這些冷阱中存在著數米厚的冰沉積物。然而,利用有著相似觀測方法的月球勘測軌道器(LRO)收集的數據,最近的研究僅在月球極地冷阱中發現了一些分散的表層和淺表層冰沉積物。考慮到水星和月球的極地區域在溫度環境和揮發分凈沉積速率上并沒有巨大的差別,這種冰沉積物含量上的差別令科學家感到費解。 

  為研究這一問題,美國加州大學洛杉磯分校的RubanenkoVenkatramanPaige三位研究人員首先分析了2069個水星簡單隕石坑的形貌,發現這些隕石坑在高緯地區明顯變淺,與高緯地區的冰沉積相吻合。隨后,他們又用相同的方法分析了11228個月球簡單隕石坑的形貌,發現在月球南極地區——與水星相似——隕石坑在高緯地區變淺,并認為這也是由冰的沉積所導致的。他們的研究結果發表在Nature Geoscience上。 

1  水星和月球極地區域隕石坑。a、c、e.水星北極、月球南極、月球北極地區的隕石坑地圖。顏色代表其d/D。b、d、f.水星北極、月球南極、月球北極地區的隕石坑的d/D隨緯度的分布。注意,dN應為S,原文筆誤。綠色點代表沒有永久陰影區的隕石坑,灰色點代表有永久陰影區的隕石坑,藍色點代表永久陰影區中可以形成冷阱的隕石坑。紅點是某一給定緯度上所有隕石坑d/D的平均值(Rubanenko et al., 2019 

  對水星的隕石坑,Rubanenko等人測量了每個隕石坑的深度/直徑之比(d/D),并將它們按照緯度繪制在圖中(圖1b)。在北緯75°以上,平均d/D開始下降。至北緯86°,平均d/D 相比低緯地區大約減小了10%。如果將數據外推至北極點90°,那么平均d/D大約減小20%。我們通常認為簡單隕石坑具有相似性,深度越大的隕石坑直徑越大,d/D 變化很小。Rubanenko等人認為隕石坑隨緯度升高而變淺(此處淺指d/D 比例減小)的這一現象是由隕石坑永久陰影區中沉積的冰所造成的,并給出了5點原因:(1d/D 減小與冷阱形成在相同緯度;(2)小直徑隕石坑變淺更多,這與冰的沉積作用相符;(3)較冷的面向極地的坡更淺;(4)平均變淺程度與估算的冰沉積厚度相符;(5)較冷經度的隕石坑更淺。基于以上的分析,水星平均冰沉積約15米,而最厚區域可達50米。 

2  過去發現的存在冰沉積的隕石坑的d/D與冰含量關系。a.月球南極;b.月球北極(Rubanenko et al., 2019

  隨后,Rubanenko等人將相同的方法應用在了月球上。在月球南極,他們發現了與水星相同的趨勢——隕石坑隨緯度升高而變淺(圖1d);而在月球北極,他們沒有發現這一趨勢(圖1f)。與已發現的表面冰沉積進行的對比顯示,在南極d/D與冰含量成負相關,即,冰沉積越多,隕石坑越淺;而在北極,則沒有發現這一相關性(圖2)。他們認為南極的負相關正是表明隕石坑變淺是由冰沉積所導致的,而北極的隕石坑中也許曾經也有冰沉積物,但是被后續的撞擊破壞了。 

  Rubanenko等人的研究表示,月球永久陰影區應當是存在很厚的冰沉積物的,而這些存在了數十億年的冰,可能為我們揭示太陽系中水的起源問題。當然,我們仍要注意,Rubanenko等人的研究沒有將隕石坑的粘性松弛過程考慮進去。如果月球不同區域的下表面巖石存在著粘度差異,那么隕石坑的粘性松弛過程也會存在差異,也可能引起d/D 的變化。 

    

  主要參考文獻 

  Rubanenko L, Venkatraman J, Paige D A. Thick ice deposits in shallow simple craters on the Moon and Mercury[J]. Nature Geoscience, 2019, 12: 597-601.鏈接     

  (撰稿:綦超/地星室)

 
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