температурный режим холодных ловушек на меркурии

ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ
«НИЗКОШИРОТНЫХ
ХОЛОДНЫХ ЛОВУШЕК» НА
МЕРКУРИИ
Козлова Е.А.

Изображение северного
полюса Меркурия,
полученные
радиотелескопом
Аресибо в 1998 – 1999
гг. (Harmon et al., 2001).
Разрешение 3 км.
Предполагаемый состав грунта «холодной
ловушки»:

Водяной лед + силикатный материал (80% H2O + 20%
реголит) (Felman et al., 1997).

Сера + силикатный материал (80% S + 20% реголит)
(Felman et al., 1997).
Химическое
соединение
Толщина
отложений,
м
Температура, K
S
1
220
H2O
1
110
Источники воды на поверхности Меркурия
Источник
Вероятность
столкновения,
годˉ
Космическая
пыль
Масса льда,
(* 10
г)
Толщина
отложений
водяного
льда, м
0,3 - 6
0,8 - 20
Метеориты и
астероиды
11 * 10 ˉ
º
0,04 - 2
0,1 - 8
Кометы
6,7 * 10 ˉ
º
0,01 - 20
0,05 - 60
Источники серы:



Удары метеоритов:
Поверхность Меркурия богата соединениями
серы и метеоритные удары по ней приводят к
освобождению атомов S, которые впоследствии
медленно мигрируют в области холодных
ловушек (Sprague et al., 1995).
Скорость образования отложений
кристаллической серы: 10 м за 1 млрд. лет
(Sprague et al., 1995).
«Низкоширотные» (φ < ± 85 º) области с
аномальными свойствами
Название
области
φ
λ
Площадь
постоянной тени в
% от площади
кратера
V
79,6° S
79,6° W
7,5
W
81,3° N
100,2° W
11,3
T
79,4° N
13° W
15,9
S
79,1° N
16,3° W
18,2
R
81,3° N
12,5° W
21,2
Q
82,1° N
39,3° W
36,2
P
82,9° N
46,7° W
37,2
Распределение максимальных температур в
“низкоширотных холодных ловушках” (Vasavada
et al., 1999)
Температурный режим грунта “холодной
ловушки”

c(T)ρ(x)dT/dt=d/dx(k(x,T)dT/dx)

Граничные условия:

[-k(x,T)dT(x,T)/dx] |x=0 =εσT

[-k(x,T)dT/dx]| x=l = Fнедр

Начальные условия:

T(x,0)=T0

где k(x,T) - коэффициент теплопроводности грунта
l – глубина, на которой суточные колебания температуры не
превышают 0,05 K

0<x<l
(0,t)-(1-a)E(t)

с(T) – теплоемкость грунта

ρ(x) – плотность вещества грунта

E(t) – поток излучения от Солнца, падающий на данный
участок поверхности кратера

ε – коэффициент излучения (0,95 для Меркурия
(Vasavada et al., 1999))

a – альбедо поверхности (0,09 для Меркурия)

σ – постоянная Стефана-Больцмана
Fнедр – поток тепла из недр (~ 10ˉ² Вт / м * К
(Vasavada et al., 1999))

Свойства экранирующего слоя реголита

Коэффициент теплопроводности реголита:

k(x,T)=k1(x,T)+k2(x,T) (Щуко, 2001)
k1(x,T) – коэффициент теплопроводности твердого вещества
k2(x,T) – коэффициент лучистой теплопроводности в пустотах
между частицами грунта



k2(x,T)=χ* k1(x)* (T/350)³ (Щуко, 2001)


k(x,T)=k1(x)*(1+χ*(T/350)³)


Верхний слой: толщина 2 см

k1=9,22*10-

Нижний слой:
k1=9,3*10- Вт/мK, χ = 0,073 (Vasavada et al., 1999)

Вт/мK, χ = 1,48 (Vasavada et al., 1999)
Теплофизические параметры грунта «холодной
ловушки»
Плотность,
кг/м3
Теплоемкость, Дж/кг K
Реголит
верхний слой
1300
0,1812 + 0,1191 ((T300)/300)+0,0176 ((T300)/300)2 + 0,2721 ((T300)/300)3
Реголит
нижний слой
1800
0,1812 + 0,1191 ((T300)/300)+0,0176 ((T300)/300)2 + 0,2721 ((T300)/300)3
Водяной лед
1000
2100
Сера
2070
0,5048 T + 697,62
Скорость испарения молекул воды (атомов серы)
на границе лед-реголит (сера-реголит):
 E=αP/ [2πRTμ]½ (Watson et al., 1961)





α – коэффициент конденсации =1
R – постоянная Больцмана
P – давление насыщенного пара
T – температура на границе лед-реголит (или сера реголит).
Испарение через экранирующий слой
реголита

J=μlE/2Δz (Schorghofer et al., 2007)

l – размер гранул грунта (75 мкм)

Δz – толщина экранирующего слоя реголита (10, 20 и 30
см)

μ – масса молекулы воды (2,99 * 10-26 кг)
или атома серы (5,23 * 10 -26 кг)

Скорость испарения водяного льда в области T:
Кривая 1:
нет экранирующего слоя реголита,
Кривые 2, 3 и 4 –толщина экранирующего слоя 10, 20
и 30 см соответственно.
Время полного испарения водяного льда в области T при
толщине льда 2 (кривая 1), 10 (кривая 2) и 20 м (кривая 3).
Время существования водяного льда
V
W
T
Толщина льда,
м
2
10
20
2
10
20
2
10
20
0
Толщина экранирующего слоя, м
0,1
0,2
2 600 лет
13 000 лет
26 000 лет
450 лет
2 300 000 лет
4 600 000 лет
> 3 млрд. лет
> 3,5 млрд. лет
< года
100 000 лет
500 000 лет
1 000 000 лет
2,5 года
5 лет
-
> 10 млрд. лет
> 10 млрд. лет
330 000 000 лет
1 700 000 000 лет
> 3,5 млрд. лет
S
R
Q
P
Толщина льда,
м
2
10
20
2
10
20
2
10
20
2
10
20
Толщина экранирующего слоя, м
0
0,1
0,2
< года
50 000 лет
300 000 000 лет
1,5 года
250 000 лет
1 500 000 000 лет
2,5 года
500 000 лет
> 3 млрд. лет
< года
125 000 лет
320 000 000 лет
< года
630 000 лет
1 600 000 000 лет
1,6 лет
1 260 000 лет
> 3 млрд. лет
280 лет
> 3 млрд. лет
> 10 млрд. лет
1400 лет
2800 лет
300 лет
> 3 млрд. лет
> 10 млрд. лет
1500 лет
3000 лет
-




1. В областях S, P, Q, R , W и V отложения водяного льда могут
существовать только при наличии экранирующего слоя реголита:
для областей S, T и R толщина слоя реголита – 20 см.
для областей P, Q, W и V толщина слоя реголита – 10 см.
2. Отложения серы могут существовать во всех «низкоширотных»
областях без экранирующего слоя реголита.
Мессенджер




3 августа 2004 г. : запуск.
14 января 2008 года:
первое сближение с
Меркурием: расстояние
200 км.
Изображение района
северного полюса
Меркурия (http://
messenger.juaple.edu)
6 октября 2008 г. : второе сближение с
Меркурием. Высота 200 км.
29 сентября 2009 г. : третье сближение с
Меркурием. Высота 200 км.
11 марта 2011 г. : переход на орбиту
искусственного спутника Меркурия.
Минимальная высота орбиты – 200 км,
максимальная – 15 200 км. Угол наклона
орбиты - 80°.