Вершины высоких гор на Земле покрыты снегом из-за того, что температура атмосферы понижается с высотой. Когда содержащий влагу ветер подносится к горе и идет вверх по склону, он остывает, что приводит к образованию снега, который падает и не тает. Но горные ледники есть не только на Земле, но и на других небесных телах в Солнечной системы.

В 2015 году космический аппарат New Horizons обнаружил неподалеку от равнины Спутника на Плутоне горы Пигафетта. Их пики возвышаются на 2,5-3,5 километра над подножием (или на четыре километра над средним радиусом карликовой планеты). Вершины этих гор напоминают земные, с той лишь разницей, что лед там метановый. При этом оставалось непонятным, как образовались эти ледники — атмосфера Плутона примерно в сто тысяч раз более разреженная, чем земная, и она почти не может ни нагреть, ни охладить поверхность. Получается, температура Плутона на всех высотах одинакова, и нет явного механизма, который бы покрывал снегом именно вершины гор.

Тэнгай Бертранд (Tanguy Bertrand) из Исследовательского центра Эймса и его коллеги при помощи компьютерного моделирования разобрались, как формируются заснеженные вершины Плутона. За основу взяли Глобальную климатическую модель (GCM) Плутона, разработанную в Политехнической школе в Париже. Эта модель в том числе учитывает испарение льда основных газов с поверхности: азота, метана и монооксида углерода, а также их обратную конденсацию.

Ученые дополнили модель уточненными данными о топографии окрестностей равнины Спутника и о нетающих отложениях метанового льда на стороне Плутона, которая обращена к Харону. Исходной датой начала симуляции выбрали земной 1984 год. К 2015 году вершины и склоны смоделированных гор Пигафетта оказались покрыты слоем льда примерно в 20 микрон, что в целом сходилось с наблюдениями New Horizons. Также обнаружилось, что модель плохо учитывает следующую особенность Плутона: когда поверхность покрывается миллиметровым слоем льда, ее альбедо сильно возрастает, что ведет к охлаждению поверхности и еще более интенсивному накоплению льда. Однако, чтобы накопить такой толстый слой, моделировать придется не десятки, а сотни и тысячи лет, что слишком ресурсоемко. Поэтому авторы просто увеличили прирост альбедо и сделали так, чтобы микронный слой работал как миллиметровый. В этих условиях симуляция показала слой льда в 40 микрон к 2015 году и большее сходство с наблюдениями.

Исследователи проанализировали результаты моделирования и пришли к выводу, что за покрытие вершин льдом ответственен исключительно баланс между испарением и конденсацией метана. Дело в том, что, согласно симуляции, концентрация метана в экваториальных районах Плутона возрастает на высоте около четырех километров над средним радиусом поверхности. Эти районы ночью остывают до 40-42 кельвин, что достаточно для образования тонкого слоя метанового льда. Днем температура повышается до 45-48 кельвин, и этот слой полностью испаряется. Однако, там, где концентрация метана высока, за ночь успевает намерзнуть больше, чем оттаять днем, что и ведет к постепенному накоплению. Ученые предполагают, что за такое распределение метана по высоте ответственны восходящие ветряные потоки на западе равнины Спутника, но этот вопрос необходимо изучить дополнительно.

Поскольку до сих пор лишь New Horizons пролетел в непосредственной близости от Плутона, у ученых сравнительно мало данных об этой карликовой планете, но компьютерное моделирование позволяет частично восполнить пробелы. Так, симуляция указала, что Плутон изначально сформировался как горячее тело и остыл впоследствии. А другая модель объяснила появление лун карликовой планеты столкновением Харона с другим объектом.

Фото: Bertrand et al. / Nature Communications, 2020