Ледяные горы Плутона: почему холмы сравнивают с айсбергами

На Плутоне горы могут быть сложены водяным льдом, а окружающая их равнина — замёрзшим азотом. Эти материалы ведут себя по-разному. При местной температуре водяной лёд достаточно прочен для высоких крутых склонов, тогда как азотный медленно деформируется и течёт. В такой ледяной толще могут перемещаться отдельные блоки, отколовшиеся от гор.

Из-за разницы плотностей их сравнивают с айсбергами. Более лёгкий водяной лёд способен удерживаться в более плотном азотном. Это объяснение предложила команда New Horizons после пролёта возле Плутона 14 июля 2015 года. На снимках видны цепочки и скопления холмов посреди равнины; их движение восстанавливают по рельефу и расчётам, поскольку повторной подробной съёмки тех же мест у исследователей нет.

Горы высотой в несколько километров

Первые подробные изображения Плутона показали высокие вершины рядом с почти ровными светлыми полями. Уже 15 июля 2015 года команда миссии сообщила о горах, поднимающихся примерно на 3,5 километра над окружающей поверхностью. Их крутые склоны требовали достаточно прочного материала.

Азот, метан и угарный газ при плутонианском холоде могут лежать на поверхности в виде твёрдых отложений. Но такие льды сравнительно легко деформируются и плохо подходят для высоких устойчивых массивов. Поэтому основой гор исследователи сочли водяной лёд. В условиях Плутона он выполняет ту роль, которую на Земле играют твёрдые горные породы.

Осенью того же года пришло спектральное подтверждение присутствия воды. Прибор LEISA измерял отражённый свет в разных диапазонах. Водяной лёд поглощает часть излучения характерным образом, что позволяет отличить его от других веществ. На картах состава, опубликованных NASA в октябре 2015 года, были выделены участки, где этот сигнал удалось обнаружить.

Синий цвет на этих картах условный: им обозначили участки водяного льда. Там, где водяную основу покрывают другие отложения, её спектральные признаки могут быть слабее или вовсе скрываться.

Разница свойств льдов объясняет соседство резких уступов и плавных равнин. Высокие блоки сохраняют форму, а более мягкое вещество обтекает их и заполняет понижения. Получается разнообразный рельеф, хотя почти все заметные материалы на поверхности относятся к тому, что в планетологии называют льдами.

Равнина внутри светлого «сердца»

Самая известная светлая область Плутона напоминает сердце и называется областью Томбо. Её западную часть занимает равнина Спутника — Sputnik Planitia. В ранних публикациях миссии встречается прежний вариант названия, Sputnik Planum.

По краям равнины возвышаются горы, а в её центральной части видны большие многоугольные участки с неглубокими границами. Основное вещество равнины — азотный лёд; спектральные измерения также обнаружили метан и угарный газ. У горных склонов светлые отложения заходят в понижения и огибают препятствия.

Именно такие формы позволили предположить движение ледника. Поток может разделяться перед возвышенностью, проходить по обеим сторонам и снова соединяться ниже. Полосы материала сохраняют изгибы этого пути. По ним геологи восстанавливают направление течения, как это делают при изучении земных ледников.

На южной стороне равнины молодые ледяные отложения примыкают к более древней местности с кратерами. У северного края видны извилистые полосы. Эти детали команда описала в сообщении о течении льдов на Плутоне в июле 2015 года. Состав отложений позволял проверить, может ли найденный материал вести себя так, как предполагает форма поверхности.

Холмы выстроились вдоль ледников

Среди азотного льда лежат отдельные холмы поперечником от километра до нескольких километров. Они встречаются цепочками вдоль предполагаемых путей движения ледников. В центральной части равнины небольшие блоки собираются у границ многоугольных участков.

Команда New Horizons считает их обломками окружающих возвышенностей. Блоки могли отделиться от края горной местности и попасть в азотный ледник. Водяной лёд менее плотен, поэтому его фрагменты могут удерживаться в окружающей толще и переноситься вместе с ней.

Возле северного края показанного района находится особенно крупное скопление — холмы Челленджера. Оно занимает примерно 60 на 35 километров. Исследователи предположили, что здесь азотный слой мельче и блоки могли упереться в основание. Так в одной области возможны и перенос льдом, и накопление остановившихся обломков.

Разрешение снимка позволяет различать километровые холмы, но их нижние части скрыты. Глубину погружения отдельного блока и расстояние до основания ледника определяют по моделям. Название «плавающие холмы» отражает это геологическое объяснение: фрагменты гор удерживаются в толще более плотного льда.

Твёрдый лёд тоже течёт

Для движения леднику не нужно целиком растаять. Под длительной нагрузкой твёрдый материал постепенно меняет форму. Земные ледники спускаются по долинам таким способом, оставаясь замёрзшими. Скорость зависит от температуры, толщины слоя, уклона и свойств самого льда.

На Плутоне это движение рассматривают прежде всего для азотных отложений. Лабораторные измерения показывают, насколько легко твёрдый азот деформируется при разных условиях. Их используют в расчётах вместе с данными о рельефе, полученными New Horizons.

В работе Оркана Умурхана и соавторов моделировалось течение азотных ледников у равнины Спутника. Исследователи проверяли, как лёд может стекать в бассейн и какие очертания при этом возникают. Изменение толщины или температуры слоя заметно влияет на результат, поэтому неизвестные параметры недр задаются в определённых пределах.

Поддерживаемый более плотным азотным льдом блок переносится вместе с ним. Если нижняя часть блока касается основания ледника или препятствия, он может остановиться, хотя лёд рядом продолжит деформироваться.

В азотной толще возникают огромные ячейки

В центральной части равнины многоугольники достигают десятков километров в поперечнике. Их объясняют конвекцией: более тёплый лёд поднимается из глубины, расходится в стороны у поверхности, охлаждается и опускается. Весь этот круговорот может происходить в твёрдом веществе, которое очень медленно деформируется.

В 2016 году Уильям Маккиннон и коллеги рассчитали такое движение для слоя азотного льда толщиной в несколько километров. Небольшого потока внутреннего тепла Плутона было достаточно, чтобы поддерживать широкие конвективные ячейки. Полученная форма соответствовала крупным многоугольникам на равнине.

Модель давала средние горизонтальные скорости у поверхности порядка нескольких сантиметров в год. При таком темпе перенос или обновление поверхностного материала занимал около полумиллиона лет. Это медленно в масштабе человеческой жизни, но достаточно быстро, чтобы сильно менять местность за геологическое время.

У края бассейна лёд преимущественно стекает с возвышенностей. Внутри глубокой азотной толщи к этому может добавляться подъём и опускание вещества. Поэтому путь водяного обломка зависит от того, в какую часть ледника он попал.

В 2021 году Адриен Моризон и соавторы предложили модель конвекции с охлаждением при сублимации. Сублимация — переход вещества из твёрдого состояния сразу в газ. Когда азот уходит с поверхности таким способом, она охлаждается. Возникающего перепада температур тоже может быть достаточно для движения внутри слоя.

Этот расчёт воспроизводил плоские многоугольники, разделённые узкими ложбинами. Работа уточнила связь между формой ячеек и тепловыми условиями у поверхности. При сравнении моделей учитывают именно такие детали: насколько широки участки, как выглядят их центры и границы, какие свойства льда нужны для их образования.

Азот перемещается между льдом и атмосферой

Количество льда на равнине не остаётся неизменным. Часть азота сублимирует, попадает в атмосферу и затем оседает в других местах. Там, где отложения теряют вещество, их толщина уменьшается; там, где преобладает накопление, она растёт. Для холма внутри такого слоя это меняет условия опоры и возможного движения.

Танги Бертран и соавторы исследовали азотный цикл в моделях, охватывающих миллионы лет. В работе 2018 года учитывались изменения наклона оси и параметров орбиты Плутона. Они влияют на распределение солнечного нагрева, а через него — на накопление и потерю летучего льда.

Обмен азотом сравнительно быстро меняет яркость и мелкие формы поверхности. Крупные ледниковые потоки и разрушение гор по краям требуют гораздо больше времени. По соседству могут находиться участки рельефа, сформировавшиеся в разные эпохи.

Блок, который когда-то свободно удерживался в ледяной толще, позднее может оказаться на более мелком участке. Уменьшение слоя способно остановить его движение, а новый приток льда — вновь изменить положение относительно окружающей поверхности. Так объясняют, почему среди равнины встречаются и цепочки отдельных холмов, и плотные скопления у её края.

На панораме, полученной после пролёта, косой свет выделяет горные склоны, ровные ледяные поля и слои атмосферной дымки. В одном кадре оказались твёрдая водяная основа рельефа, более податливые азотные отложения и атмосфера, с которой они обмениваются веществом. Именно их сочетание позволяет небольшим ледяным холмам вести себя иначе, чем окружающим горным массивам.