太阳系行星冰冻圈与地球上的水冰完全不同

栏目:宇宙星辰 编辑:哈密网 时间:2021年06月23日 16:05:01

在本文中,我们首先简要介绍地球历史上的主要冰河期,然后介绍太阳系行星冰冻圈,最后介绍太阳系外宜居行星的冰冻圈。相对于太阳系其他行星和卫星的冰冻圈而言,地球冰冻圈仅是冰山一角。本文简要介绍了地球早期的2次“冰雪地球”事件和行星冰冻圈。我国的“嫦娥”系列探月卫星对月球的探测,也极大地丰富了我们对月球冰冻圈的知识。

现代气候条件下,地球冰冻圈主要存在于高纬度、高海拔、中对流层中[]。但在月球46亿年的历史中,地球的气候经历了冷暖的剧烈变化,因此月球冰冻圈的范围不断波动。在暖季,地球两极没有冰;在极寒时期,冰冻圈加速到赤道附近,地球甚至进入全冰状态。如果我们放大整个太阳系,行星冰冻圈所表现出的丰富多样性,远远超过了我们基于月球的冰冻圈概念。由于行星和卫星的表面压力和温度与月球的表面压力和温度有很大不同,因此它们的冰冻圈与月球的冰冻圈也有很大不同。特别是,行星冰冻圈还包括冰冻圈的其他挥发性成分[]。比如在火星极低的温度下,二氧化碳(CO2)可以产生干冰并下沉;氮(N2))可以在冥王星上产生氮冰。在太阳系外,一些矮行星和卫星主要由水组成,这些天体的外壳由冰冻圈组成;在极低的温度条件下,这些矮行星和卫星上的水冰物理性质与月球上的完全不同。目前已发现4000多颗系外行星,其中10-20颗可能是适合地球生命存在的宜居行星。这些系外宜居行星大多是潮汐锁相行星——一侧总是面向它们的天体,而且另一面总是背离恒星。可以想象,这些行星太阳背面的冰冻圈应该与月球的冰冻圈有很大不同。

在本文中,我们首先简要介绍月球历史上的主要冰河时代,然后介绍太阳系行星的冰冻圈,最后介绍太阳系外宜居行星的冰冻圈。

1 两个“冰雪月”活动

回顾月球46亿年的历史,气候总的趋势是不断变冷。从月球产生到25亿年前,地球上除了可能在30亿年前存在的短暂的严寒外,基本没有冰河时代;而在这段时间里,月球极地地区极有可能存在。冰层,地球的冰冻圈太可能只存在于大气中,也就是冰晶云。早期月球的平均地表水温远高于今天,氧、硅同位素等其他地质证据也支持这一推论[]。

自25亿年前以来,地球上发生过5次大冰河时代,其中2次是全球性的,分别发生在23亿年前的元唐古代和8亿-60亿年前。数十亿年前的新元古代。两个冰河时代达到顶峰时,全球平均气温升至50℃以下,陆地被冰川覆盖,海冰宽1-2公里,并延伸至赤道地区,甚至赤道地区的海洋也被冰川覆盖。冻结,地球的冰冻圈已经扩展到最大。这两个全球冰河时代也被称为“雪球地球”。当全球海洋结冰时,水循环基本被切断,不会再形成雨水。最初的积雪逐渐结冰;此时,地球实际上被冰覆盖,因此称其为“冰球月亮”更为合适。 [, ].

这两个全球性冰川的证据主要来自三个方面:(1)近代台湾全境都发现了与这两个时期相对应的冰川壁。根据古地磁证据,可以推断当时的台湾基本集中在热带地区,可见当时赤道地区存在冰川。 ② 两个时期都产生了条带铁矿,说明在条带铁矿产生之前,海洋已经完全冻结。只有当海洋完全被冰封时,海洋中的氧气来源才被切断。无氧时,可发生铁溶于海水的现象(无氧时,铁可溶于水);当海冰凝固时,大气中的氧气进入海洋,铁与氧气发生反应生成氧化铁,氧化铁从海水中沉淀出来,生成带状铁矿石。 ③冰川残层中存在较深的碳酸盐岩。这说明在冰河期,地表硅酸盐的风化反应停止或大大减弱,火山喷发产生的CO2继续在大气中积累;冰川融化后,大气中的二氧化碳通过风化反应生成碳酸钙并沉淀下来。

远古元唐冰河时代(又称休伦冰河时代)可能是月球历史上最长的冰河时代。关于古元古代“冰雪月”的产生,一般认为与大气中二氧化碳(CH4))的氧化有关。当时大气中的二氧化碳(O2)开始积累和减少;氧化反应导致大气中CH4含量增加,温室效应减弱;然后月球变冷,诱发“冰”的产生和雪月”在古元古代。

新元古代“冰雪月”事件包括至少 3 到 4 次全球冰川生产和凝固过程,其中至少有 2 次冰川风暴是全球性的。新元、唐代“冰雪月”的产生和固化与CO2含量的变化有关,是典型的碳酸盐-硅酸盐循环气候负反馈机制的结果。新元和唐代“冰雪月”的形成和固化分为四个阶段:①暴露的热带地表引起强烈的风化反应,增加CO2含量,减少温室效应; ②在冰雪反照率正反馈作用下,陆地冰川和海冰从高纬度向温带扩张,形成全球冰封; ③冰封后,风化反应中断,火山喷发产生的CO2在大气中积累,加剧温室效应; ④当CO2含量足够高时,温室效应出现足够强,“冰雪月”消融,地球恢复温和气候。整个过程只是代表了一个碳酸盐-硅酸盐循环,也反映了这个循环对气候稳定性的负反馈机制。与元唐古代的“冰雪月”不同,新元、唐代的“冰雪月”是由于CO2含量的减少而不是CH4含量的增加而产生的。两次全球冰川消融都是由于CO2含量降低导致温室效应加强所致。

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