Холодная ловушка — это понятие в планетарных науках , которое описывает область, достаточно холодную для замораживания (улавливания) летучих веществ . Холодные ловушки могут существовать на поверхности безвоздушных тел или в верхних слоях адиабатической атмосферы. На безвоздушных телах льды, запертые внутри холодных ловушек, могут потенциально оставаться там в течение геологических периодов времени, позволяя нам заглянуть в изначальную солнечную систему. В адиабатических атмосферах холодные ловушки не позволяют летучим веществам (например, воде) выходить из атмосферы в космос.
Наклон (осевой наклон) некоторых безвоздушных планетарных тел в Солнечной системе, таких как Меркурий , Луна и Церера, очень близок к нулю. Гарольд Юри первым заметил, что углубления или кратеры, расположенные вблизи полюсов этих тел, будут отбрасывать постоянные тени, которые могут сохраняться в течение геологических периодов времени (миллионы–миллиарды лет). [1] Отсутствие атмосферы препятствует перемешиванию посредством конвекции , делая эти тени чрезвычайно холодными. [2] Если молекулы летучих веществ, таких как водяной лед, попадают в эти постоянные тени, они будут пойманы в ловушку на геологические периоды времени. [3]
Поскольку эти тени не получают инсоляции , большая часть тепла, которое они получают, рассеивается и испускается излучением из окружающей топографии. Обычно горизонтальную теплопроводность из соседних более теплых областей можно не учитывать из-за высокой пористости и, следовательно, низкой теплопроводности самых верхних слоев безвоздушных тел. Следовательно, температуры этих постоянных теней можно моделировать с помощью алгоритмов ray casting или ray tracing в сочетании с 1D моделями вертикальной теплопроводности. [4] [2] В некоторых случаях, таких как чашеобразные кратеры, можно получить выражение для равновесной температуры этих теней. [5]
Кроме того, температуры (и, следовательно, стабильность) холодных ловушек могут быть дистанционно измерены орбитальным аппаратом. Температуры лунных холодных ловушек были тщательно изучены радиометром Lunar Reconnaissance Orbiter Diviner . [ 6] На Меркурии доказательства наличия ледяных отложений внутри холодных ловушек были получены с помощью радара, [7] отражательной способности [8] [9] и видимых изображений. [10] На Церере холодные ловушки были обнаружены космическим аппаратом Dawn . [11]
В атмосферной науке холодная ловушка — это слой атмосферы , который существенно холоднее как более глубоких, так и более высоких слоев. Например, для тропосферы Земли температура воздуха падает с увеличением высоты, достигая самой низкой точки (примерно на высоте 20 километров). Эта область называется холодной ловушкой, потому что она захватывает восходящие газы с высокими точками кипения, заставляя их падать обратно на Землю. [ требуется цитата ]
Для биологических форм жизни на Земле самым важным газом, который необходимо удерживать таким образом, является водяной пар . Без наличия холодной ловушки в атмосфере, содержание воды постепенно улетучивалось бы в космос, делая жизнь невозможной. Холодная ловушка удерживает одну десятую процента воды в атмосфере в виде пара на больших высотах. Холодная ловушка Земли также является слоем, выше которого интенсивность ультрафиолета велика, поскольку выше количество водяного пара незначительно. Кислород экранирует интенсивность ультрафиолета. [ необходима цитата ]
Некоторые астрономы полагают, что отсутствие холодной ловушки является причиной того, что планеты Венера и Марс обе потеряли большую часть своей жидкой воды в начале своей истории. [12] Холодная ловушка Земли расположена примерно в 12 км над уровнем моря, значительно ниже высоты, на которой водяной пар был бы постоянно разделен на водород и кислород солнечными ультрафиолетовыми лучами, а первый необратимо улетучился бы в космос. Из-за холодной ловушки в атмосфере Земли Земля фактически теряет воду в космос со скоростью всего лишь 1 миллиметр океана каждые 1 миллион лет, что слишком медленно, чтобы повлиять на изменения уровня моря в любых временных масштабах, имеющих отношение к человеку, по сравнению с текущей скоростью повышения уровня моря со скоростью 3 миллиметра каждый год из-за продолжающегося антропогенного изменения климата, таяния полярных ледяных шапок в сочетании с тепловым расширением морской воды. При такой скорости потребуются триллионы лет, что намного больше, чем продолжительность жизни на Земле, чтобы вся ее вода исчезла (именно поэтому из-за антропогенного изменения климата экстремальные погодные явления, такие как ураганы и наводнения, в ближайшем будущем усилятся, поскольку более теплая атмосфера может удерживать больше влаги, и, следовательно, увеличивать количество указанного водяного пара, возвращающегося в виде осадков , поскольку даже в этом случае холодная ловушка все равно будет предотвращать потерю указанного водяного пара в космос, и, следовательно, атмосфера Земли все еще слишком холодна для этого), хотя возможное потепление Солнца по мере его старения только ослабит холодную ловушку в течение следующего миллиарда лет, сделав атмосферу Земли еще теплее, что подтолкнет холодную ловушку еще выше в атмосферу и, следовательно, заставит ее потерять способность предотвращать обратную диссоциацию водяного пара на водород и кислород под действием ультрафиолетовых лучей Солнца, а первый — улетучиваться в космос, что приведет к тому, что Земля в конечном итоге потеряет свои океаны в космос примерно через 1 миллиард лет, задолго до того, как Солнце окончательно расширится до красного гиганта.
Как отметили Питер Уорд и Дональд Браунли в своей книге « Жизнь и смерть планеты Земля» , текущий процесс фактической потери океанов был задокументирован лишь дважды: первый раз во время миссии «Аполлон-16» на Луну (хотя и случайно, поскольку астронавты миссии наблюдали за Землей с помощью уникальной камеры Каррузерса , которая была создана и использована только один раз, для этой конкретной миссии, поскольку такой процесс можно наблюдать только в ультрафиолетовом свете и с Луны из-за отсутствия на ней атмосферы, блокирующей указанный ультрафиолетовый свет), а затем в 1990-х годах в ходе исследований астронавтов, проведенных на борту космического челнока.
Спутник Сатурна Титан имеет очень слабую холодную ловушку, которая способна удерживать только часть своего атмосферного метана. [13] Таким образом, было высказано предположение, что Титан является ближайшим аналогом того, как будет выглядеть атмосфера Земли, когда холодная ловушка Земли выйдет из строя, с метаном вместо воды и углеводородными продуктами фотохимии вместо кислорода и озона. [14]
Предполагается, что на Ганимеде для получения кислорода используются холодные ловушки . [15]