В астрономии или планетарной науке линия замерзания , также известная как линия снега или линия льда , является минимальным расстоянием от центральной протозвезды солнечной туманности , где температура достаточно низкая для того, чтобы летучие соединения, такие как вода , аммиак , метан , углекислый газ и окись углерода , конденсировались в твердые зерна, что позволит им аккрецироваться в планетезимали . За пределами этой линии газообразные соединения (которые гораздо более распространены) могут довольно легко конденсироваться , что позволяет формировать газовые и ледяные гиганты ; в то время как внутри нее могут аккрецироваться только более тяжелые соединения, образуя обычно гораздо меньшие каменистые планеты .
Сам термин заимствован из понятия « линия промерзания » в почвоведении , которая описывает максимальную глубину от поверхности, на которой могут замерзнуть грунтовые воды .
Каждое летучее вещество имеет свою собственную линию замерзания (например, оксид углерода, [1] азот , [2] и аргон [3] ), поэтому важно всегда указывать, о какой линии замерзания материала идет речь, хотя пропуски являются обычным явлением, особенно для линии замерзания воды. Индикаторный газ может использоваться для материалов, которые в противном случае трудно обнаружить; например, диазенилий для оксида углерода.
Различные летучие соединения имеют разные температуры конденсации при разных парциальных давлениях (и, следовательно, разные плотности) в протозвездной туманности, поэтому их линии замерзания будут отличаться. Фактическая температура и расстояние до линии снега водяного льда зависят от физической модели, используемой для ее расчета, и от теоретической модели солнечной туманности: это ничего не говорит нам о температуре в градусах
Местоположение линии промерзания со временем меняется, потенциально достигая максимального радиуса17,4 а.е. для звезды солнечной массы, а затем уменьшается. [8]
Радиальное положение фронта конденсации/испарения меняется со временем по мере развития туманности. Иногда термин « линия снега» также используется для обозначения текущего расстояния, на котором водяной лед может быть стабильным (даже под прямыми солнечными лучами). Это текущее расстояние линии снега отличается от расстояния линии образования снега во время формирования Солнечной системы и приблизительно равно 5 а. е. [9] Причина разницы в том, что во время формирования Солнечной системы солнечная туманность была непрозрачным облаком, где температуры были ниже вблизи Солнца, [ необходима ссылка ] и само Солнце было менее энергичным. После формирования лед был погребен падающей пылью и оставался стабильным на несколько метров ниже поверхности. Если лед в пределах 5 а. е. обнажается, например, кратером, то он сублимируется в короткие сроки. Однако без прямого солнечного света лед может оставаться стабильным на поверхности астероидов (а также Луны и Меркурия), если он находится в постоянно затененных полярных кратерах, где температура может оставаться очень низкой на протяжении всего периода существования Солнечной системы (например, 30–40 К на Луне).
Наблюдения за поясом астероидов , расположенным между Марсом и Юпитером, показывают, что линия снега воды во время формирования Солнечной системы находилась в этом регионе. Внешние астероиды являются ледяными объектами класса C (например, Abe et al. 2000; Morbidelli et al. 2000), тогда как внутренний пояс астероидов в значительной степени лишен воды. Это означает, что когда происходило формирование планетезималей, линия снега находилась примерно в 2,7 а.е. от Солнца. [6]
Например, карликовая планета Церера с большой полуосью 2,77 а.е. лежит почти точно на нижней оценке линии снега воды во время формирования Солнечной системы. Церера, по-видимому, имеет ледяную мантию и, возможно, даже имеет водный океан под поверхностью. [10] [11]
Более низкая температура в туманности за линией замерзания делает гораздо больше твердых зерен доступными для аккреции в планетезимали и в конечном итоге в планеты . Таким образом, линия замерзания отделяет планеты земной группы от планет-гигантов в Солнечной системе. [12] Однако планеты-гиганты были обнаружены внутри линии замерзания вокруг нескольких других звезд (так называемые горячие юпитеры ). Считается, что они образовались за пределами линии замерзания, а затем мигрировали внутрь на свои нынешние позиции. [13] [14] Земля, которая находится менее чем в четверти расстояния от линии замерзания, но не является гигантской планетой, имеет достаточную гравитацию для того, чтобы удерживать метан, аммиак и водяной пар от выхода из нее. Метан и аммиак редки в атмосфере Земли только из-за их нестабильности в богатой кислородом атмосфере, которая является результатом форм жизни (в основном зеленых растений), биохимия которых предполагает обильное количество метана и аммиака в определенный момент времени, но, конечно, жидкая вода и лед , которые химически стабильны в такой атмосфере, образуют большую часть поверхности Земли.
Исследователи Ребекка Мартин и Марио Ливио предположили, что пояса астероидов могут иметь тенденцию формироваться вблизи линии замерзания из-за того, что близлежащие гигантские планеты нарушают формирование планет внутри своей орбиты. Анализируя температуру теплой пыли, обнаруженной около 90 звезд, они пришли к выводу, что пыль (и, следовательно, возможные пояса астероидов) обычно обнаруживаются вблизи линии замерзания. [15] Основным механизмом может быть термическая нестабильность линии снега на временных масштабах 1000–10 000 лет, что приводит к периодическому отложению пылевого материала в относительно узких околозвездных кольцах. [16]
