Η δραστηριότητα του πάγου του αζώτου στον Πλούτωνα εξερευνήθηκε με αριθμητική μοντελοποίηση

Η αριθμητική μοντελοποίηση του κύκλου του αζώτου στον Πλούτωνα εξηγεί την κατανομή, το χρώμα, τη γεωλογία και τη μορφολογία των διαφορετικών κοιτασμάτων πάγου αζώτου που παρατηρήθηκαν.

Στις 14 Ιουλίου 2015, το όραμά μας για τον Πλούτωνα άλλαξε καθώς το διαστημόπλοιο New Horizons της NASA πέταξε δίπλα στον Πλούτωνα και αποκάλυψε έναν ενεργό παγωμένο κόσμο, με πρωτοφανή τοπία στο Ηλιακό Σύστημα. Στην επιφάνεια, τεράστιες πεδιάδες καλυμμένες με παγετό και θεαματικοί παγετώνες, που αποτελούνται από διαφορετικά μείγματα πτητικών πάγων αζώτου, μεθανίου και μονοξειδίου του άνθρακα, καταδεικνύουν την πολυπλοκότητα και τη γεωλογική ποικιλομορφία που προσφέρει ο Πλούτωνας [1][2].

Συγκεκριμένα, το New Horizons παρατήρησε ένα τεράστιο στρώμα πάγου από πάγο αζώτου, αναμεμειγμένο με μεθάνιο και CO, που κάλυπτε το 5% της επιφάνειας του Πλούτωνα και υποτίθεται ότι είχε πάχος πολλών χιλιομέτρων. Παραδόξως, αυτό το στρώμα πάγου δεν σχηματίστηκε στους πόλους και σε μεγάλο υψόμετρο όπως η Ανταρκτική στη Γη. Αντίθετα, βρίσκεται στον ισημερινό, στον πυθμένα μιας τεράστιας τοπογραφικής λεκάνης που ονομάζεται Sputnik Planitia. Εμφανίζει μια μεγάλη ποικιλία εδαφών (βαθιά κοιλώματα, φωτεινές και σκοτεινές πεδιάδες, κοιλώματα και παγετώδεις ροές…), που υποδηλώνουν μια πολύπλοκη ιστορία και μια έντονη δραστηριότητα που περιλαμβάνει πτητικές και παγετώδεις διεργασίες που συμβαίνουν σε διαφορετικές χρονικές κλίμακες [3].

Αυτές οι εξωτικές και αινιγματικές παρατηρήσεις απαιτούν προσπάθειες μοντελοποίησης για την ολοκλήρωση της ανάλυσής τους και την κατανόηση των σχετικών μηχανισμών που παίζουν στην ατμόσφαιρα και στην επιφάνεια του Πλούτωνα.

Για το σκοπό αυτό, οι συγγραφείς της εργασίας ανέπτυξαν ένα αριθμητικό μοντέλο ικανό να προσομοιώνει την ατμόσφαιρα και την επιφάνεια του Πλούτωνα, βασιζόμενοι αποκλειστικά σε παγκόσμιες φυσικές αρχές [4][5][6].

Το μοντέλο έχει σχεδιαστεί για να προσομοιώνει τη μεταφορά πάγου αζώτου για εκατομμύρια χρόνια, λαμβάνοντας υπόψη τις αλλαγές της λοξότητας, του ηλιακού μήκους του περιηλίου και της εκκεντρότητας όπως βιώνει ο Πλούτωνας (στη Γη, τέτοιοι κύκλοι Milankovitch είναι υπεύθυνοι για τους παγετώδεις-μεσοπαγετώδεις κύκλους). Χρησιμοποιώντας αυτό το μοντέλο, η εργασία διερευνά την πτητική και παγετώδη δραστηριότητα του αζώτου στον Πλούτωνα σε διαφορετικές χρονικές κλίμακες.

Τα αποτελέσματα εξηγούν πολλά γεωλογικά χαρακτηριστικά του στρώματος πάγου Sputnik Planitia. Δείχνουν ότι το πάχος του πάγου ταλαντώνεται με τους κύκλους λοξότητας και μπορεί να αυξηθεί ή να μειωθεί έως και 1 km σε 2 εκατομμύρια χρόνια, οδηγώντας σε έντονες παγετώδεις ροές που διαβρώνουν τα γύρω βουνά νερού-πάγου, κάτι που είναι σύμφωνο με τα στοιχεία των παγετωνικών ροών γύρω από το στρώμα πάγου.

Επιπλέον, τα αποτελέσματα δείχνουν ότι στα νότια γεωγραφικά πλάτη του στρώματος πάγου κυριαρχεί η εξάχνωση κατά την ετήσια χρονική κλίμακα, εξηγώντας τις μικρές κοιλότητες εξάχνωσης που παρατηρούνται σε αυτές τις περιοχές.

Σύμφωνα με το μοντέλο, το στρώμα πάγου Sputnik Planitia βρίσκεται επί του παρόντος στην ελάχιστη έκτασή του στα βόρεια και νότια άκρα.

Το έγγραφο καταδεικνύει επίσης ότι τα πολυετή κοιτάσματα αζώτου δεν είναι σταθερά στους πόλους αλλά μάλλον στις περιοχές του ισημερινού, ιδιαίτερα σε υφέσεις. Αυτό είναι σύμφωνο με τις παρατηρήσεις των εναποθέσεων πάγου αζώτου του Ισημερινού. Τέτοια κοιτάσματα μπορεί να επιβιώσουν για δεκάδες εκατομμύρια χρόνια, αλλά θα πρέπει τελικά να παγιδευτούν στο Sputnik Planitia, εκτός εάν άλλοι μηχανισμοί βοηθήσουν στον ανεφοδιασμό αυτών των δεξαμενών.

Τέλος, η εργασία διερευνά εάν ήταν δυνατές υψηλές τιμές ατμοσφαιρικών επιφανειακών πιέσεων στο παρελθόν του Πλούτωνα. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η μέγιστη επιφανειακή πίεση για εκατομμύρια χρόνια θα έπρεπε να έχει παραμείνει στο εύρος των Pascals. Αυτό υποδηλώνει ότι ο Πλούτωνας δεν συνάντησε ποτέ συνθήκες που επιτρέπουν στο υγρό άζωτο να ρέει απευθείας στην επιφάνειά του. Κατά συνέπεια, τα πολυάριθμα γεωμορφολογικά στοιχεία της προηγούμενης ροής υγρών που παρατηρήθηκαν στην επιφάνεια του Πλούτωνα μπορεί μάλλον να είναι το αποτέλεσμα υγρού αζώτου που έρεε στη βάση παχύρρευστων αρχαίων παγετώνων αζώτου, οι οποίοι έκτοτε έχουν εξαφανιστεί.

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Οι κύκλοι του αζώτου στον Πλούτωνα σε εποχιακές και αστρονομικές χρονικές κλίμακες, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Icarus. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τον T. Bertrand από τα Πανεπιστήμια της Σορβόννης και την Εθνική Υπηρεσία Αεροναυτικής και Διαστήματος, F. Forget from Sorbonne Universités, O.M. Umurhan, O.L. White και K. Ennico από την Εθνική Υπηρεσία Αεροναυτικής και Διαστήματος, W.M. Grundy από το Lowell Observatory, B. Schmitt από το Université Grenoble Alpes, S. Protopapa από το University of Maryland and Southwest Research Institute, A.M. Ζαγκάρη, Κ.Ν. Singer, A. Stern, L.A. Young και C.B. Olkin από το Southwest Research Institute, P.M. Schenk από το Lunar and Planetary Institute και H.A. Υφαντής από το Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Φυσικής του Πανεπιστημίου Johns Hopkins.

Αναφορές:

1. Stern, S. A., et al., Το σύστημα του Πλούτωνα:Αρχικά αποτελέσματα από την εξερεύνηση του από τους New Horizons. Science, 350:aad1815, Οκτώβριος 2015. doi:10.1126/science.aad1815.
2. Schmitt, B., et al., Φυσική κατάσταση και κατανομή υλικών στην επιφάνεια του Πλούτωνα από το φασματόμετρο απεικόνισης New Horizons LEISA. Icarus, 287:229{260, Μάιος 2017. doi:10.1016/j.icarus.2016.12.025.
3. White, O., et al., Γεωλογική χαρτογράφηση του Sputnik Planitia στον Πλούτωνα. Icarus, 287:261-286, Μάιος 2017. doi:10.1016/j.icarus.2017.01.011.
4. Bertrand, T. και Forget, F., Παρατηρήθηκε ο παγετώνας και η πτητική κατανομή στον Πλούτωνα από διαδικασίες τοπογραφίας ατμόσφαιρας. Nature, 987, Δεκέμβριος 2016. doi:10.1038/nature19337.
5. Forget, F., et al., Ένα παγκόσμιο κλιματικό μοντέλο του Πλούτωνα μετά τους νέους ορίζοντες, συμπεριλαμβανομένων των κύκλων N2, CH4 και CO. Icarus, 287:54{71, Μάιος 2017. doi:10.1016/j.icarus.2016.11.038
6. Bertrand, T., et al., Οι κύκλοι του αζώτου στον Πλούτωνα σε εποχιακές και αστρονομικές χρονικές κλίμακες. Icarus, 309:277-296, Ιούλιος 2018. doi:10.1016/j.icarus.2018.03.012.