冥王星大气压力暴跌，前所未见的变化即将发生

冥王星的大气层正在发生显著变化。

“新视野号”探测器2015年在背光条件下拍摄的冥王星。当时探测器已经掠过冥王星并开始加速离去。新的观测数据表明，冥王星大气压力近期开始下降，这是它248年呼吸周期中可能正在进入新一轮收缩期的早期信号。NASA / Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory / Southwest Research Institute

7月31日，美国亚利桑那州图森市行星科研所的Amanda Sickafoose等人在《行星科学》杂志上发表了一篇已通过同行评审的论文，称冥王星的高层大气压力在2021年至2023年期间下降了16%。研究人员在观测冥王星遮掩远方恒星的过程中发现了这一变化。而这可能表明，冥王星的大气层即将进入新一轮的收缩期，是其“崩溃”的早期信号。

时至今日，只有一枚人类探测器到访过冥王星。2015年，“新视野号”探测器首次近距离探测并直接测量了冥王星的大气层，证实它极为稀薄。冥王星大气层的主要成分是氮。在“新视野号”到访之前，科学家推测冥王星拥有一个会周期性地膨胀和收缩的大气层——之所以会如此，是因为冥王星拥有一个狭长的公转轨道，而这会导致其周期性地靠近和远离太阳。

冥王星的公转周期约为248个地球年，冥王星大气层的膨胀和收缩周期也是大约248个地球年。

1989年9月5日，冥王星在它最近的一个公转周期中，到达了距离太阳最近的位置。当时它甚至比海王星更靠近太阳。而现在，它正开始远离，向着极度寒冷的太阳系外围空域进发。在这个过程中，它的大气也将因为越来越冷而逐渐冻结在其表面。

冥王星的大气被称为“呼吸式大气”。在其近日点附近，由于太阳辐射最强，其表面的氮冰会受热升华，部分进入大气；甲烷冰和一氧化碳冰也会部分进入大气。此时其大气压力会达到峰值，亦即所谓的“呼”。

而当它离开近日点，开始远离太阳，由于热惯性，地下岩层仍会缓慢释放热量，所以此时大气压力理论上不会立刻下降，而会继续上升或维持高位一段时间。随后由于氮冰升华减少，气压开始下降。

当冥王星接近远日点，温度降到最低，大气中的氮会大量凝华，成为固体氮霜，在其表面沉降。一旦冥王星抵达远日点附近，其大气可能会“崩溃”，几乎全部冻结在其表面。此为“吸”。

而当冥王星离开远日点，再次向太阳进发，由于辐射再次增强，冻结在其表面的各类挥发性物质会再次开始升华。于是气压开始回升，大气开始重建，并在抵达下一个近日点前，逐渐恢复到浓厚状态。

这一次，冥王星将在2114年前后抵达远日点。它的大气层将在那时接近完全消失。

新研究在分析了冥王星大气层在2017至2023年间的变化后发现，自“新视野号”2015年飞掠冥王星至2021年期间，冥王星大气压力一直保持着稳定（2015年前为上升）。但从2021年年中开始，事情开始发生变化。自那时起至2023年7月，冥王星特定高度上的高层大气压力下降了大约16%。

通过观测后方恒星因冥王星从其前方掠过——亦即所谓掩星事件而导致的亮度变化，研究人员能够获知与冥王星大气有关的许多线索——即便冥王星距离我们极端遥远，它依然能够在地球表面投下暗弱的影子。分处全球多处观测点的科学家协同工作，捕捉并绘制了冥王星阴影在地球表面扫过的路径。研究人员自2017年以来已经对10次此类掩星事件进行了观测，其中4次为协同完成。

尽管冥王星的直径约为月球的2/3，当前和太阳的距离大约为地球和太阳距离的30多倍，但只要背景恒星足够明亮，在地球上我们依然可以观测到背景星光因受这个昏暗天体遮掩而发生的短暂变化。冥王星稀薄的大气，也足以使星光发生偏折，使得研究人员能够获得许多与其大气有关的线索。

研究人员称，在现阶段的冥王星上，可能正在发生一些极为有趣的事件。新的数据已经显示，冥王星的大气压力已经开始显著下降。这一趋势有可能会延续为新一轮的长期冰封期。

这是人类有史以来首次对冥王星从近日点前往远日点的“大气收缩阶段”进行观测。谁也不知道，它身上未来还会发生哪些神秘的变化。

2015年7月14日“新视野号”探测器拍摄的冥王星大气。NASA / Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory / Southwest Research Institute

参考

Changes in Pluto’s Atmosphere Based on Stellar Occultation Data from 2017 to 2023

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/PSJ/ae6cdd