地球之外的冰雪世界——行星冰凍圈

谷神星冰凍圈

谷神星是位于小行星帶的最大星體，屬于矮行星范疇，距離太陽?2.8?AU，介于火星和木星之間，直徑?940?km?，F有的研究和探測表明，谷神星的殼層厚度約為?40?km，含有至少?40%?的水冰，其他是巖石成分。2015?年，美國國家航空航天局（NASA）的“黎明號”探測器表明，谷神星表面為水冰、鹽和水合礦物的混合物，可能還有水合包絡物。另外，在谷神星上還發現了冰火山。阿胡拉山（Ahuna Mons）便是一個較為確定的冰火山，約?17?km?寬，4?km?高（圖?3）；其就是水冰從殼層下面噴發出來形成的冰山。

除了谷神星，小行星帶內的許多小星體也主要是由水冰所組成。一些研究建議，地球水分中的相當一部分是在晚期大轟擊時期（距今?42?億—38?億年前），由小行星帶內富含水的星體撞擊地球帶來的。因此，研究地球之外的冰凍圈對我們理解地球水的來源和生命演化極為重要。

冰衛星

木星和土星是?2?顆氣態巨行星，擁有諸多衛星，而這些衛星中許多是由水冰組成的；此外，土星美麗的光環也主要是由水冰顆粒組成的。

水冰覆蓋了木衛二（Europa）、木衛三（Ganymede）和木衛四（Callisto）的表面并成為這些衛星的殼層。這些殼層與由巖石物質所構成的地球殼層完全不同。在這些衛星的水冰殼層之下，很可能存在著液態海洋。因為液態水是生命存在的首要條件，所以木衛二受到了最廣泛的關注。20?世紀?70?年代發射的“旅行者號”探測器拍下的大量照片顯示，木衛二的水冰表面布滿了縱橫交錯的山脊—山谷—山脊狀裂紋。此外，還有約占表面積?1/4?的冰川表面“破裂”為數千米大小的破碎多邊形單元，顯示在引力潮汐作用下，木衛二殼層下液體流動的痕跡。根據這些觀測，很多科學家相信木衛二的水冰殼層下存在一個較深厚的海洋。重力場測量表明木衛二外圈冰層和可能的地下海洋總深度達到約?100—200?km。 

土星的冰衛星與木星的冰衛星類似。以土衛二為例，其密度約為?1?600?kg?·?m^?3，對應著約?60%?的巖石和?40%?的水/冰，其表層是一層水冰殼層，而殼層下可能存在一個全球性的海洋。土衛二有著令我們始料未及的地質活動強度：年輕的南極冰殼層有?4?條平行的裂紋——“老虎紋”（tiger stripe），不斷噴發出超音速冰粒、水蒸氣和其他氣體，達到幾百公里的高度（圖?4）。噴發物大部分落回土衛二表面，而約有?9%?的物質在土星引力作用下，成為壯觀的土星環的一部分（E?環）。土星美麗的光環也主要是由水冰顆粒所組成?！翱ㄎ髂崽枴憋w船多次穿越后測得其氣體成分主要是水汽，還含有?5% CO₂、1% CH₄、1%?氨（NH₃），以及少量較重的碳氫和有機化合物。地球生命所必需的三大條件包括生命所需的元素、液態水和化學能來源（氧化還原梯度），而前兩者幾乎都能夠在土衛二上找到。這使土衛二成為天體生物學研究，特別是成為尋找生命起源的一個重要研究目標。

土衛六又稱“泰坦”，是太陽系中唯一擁有濃密大氣的衛星。大氣中的?CH₄?和?N₂?發生光化學反應，生成高階碳氫化合物和腈類物質，形成的有機氣溶膠顆粒成為土衛六大氣中的霾?！翱ㄎ髂崽枴憋w船通過雷達發現在土衛六不到?100?K?表面溫度下存在一系列的?CH₄?湖，小的不到?10?km³，最大的克拉肯海達到?500?000?km³。土衛六是目前已知的地球之外唯一在表面擁有穩定的大面積的液體存在的天體。CH_4?在土衛六的角色與水在地球的作用很相似，CH₄?湖的存在維持了大氣層中的?CH₄?含量，同時產生了?CH₄?云；地面有著縱橫交錯的河流痕跡，表明土衛六上可能有間斷發生的液態?CH₄?沉降。此外，“卡西尼號”飛船所投放的“惠更斯號”探測器在土衛六的著陸點附近還拍攝到許多鵝卵石大小的、可能包裹了碳氫化合物的水冰。

 冥王星

在太陽系外側的柯伊伯帶有眾多小星體，這些小星體主要由水冰組成。冥王星是其中最大的一個星體，屬于矮行星范疇，其殼層主要由水冰構成。冥王星表面溫度?30—60?K，在如此低的溫度條件下，N₂、CH₄?和一氧化碳（CO）等易揮發物質都以固態冰的形式存在，并與一些光化學產生的有機物一起覆蓋在由水冰構成的“基巖”上。這些易揮發性冰的厚度和成分比例隨溫度變化呈現顯著的變化。與土衛六類似，冥王星的冰凍圈也是與大氣圈密切耦合在一起的，其大氣壓力由氮冰的飽和蒸氣壓所控制：在遠日點時，冥王星表面溫度較低，大氣壓也較低；而在近日點時，表面溫度較高，N₂、CH₄?和?CO?揮發進入大氣，大氣壓也隨之升高。

“新視野號”探測器在飛越冥王星時拍攝的照片顯示，冥王星有一個“心臟形”的平原，被稱為“斯普尼克平原”。該平原是一個盆地，四周都是水冰形成的冰山，高度?2—3?km，還發現了冰火山的活動痕跡（圖?5）。該平原上覆蓋著數千米厚的易揮發冰層，主要成分是?N₂，還有少量?CH₄?和?CO。觀測表明，這層氮冰能夠進行固體對流運動，還能夠通過黏性流動不斷更新其表面。

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