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北京大學(xué)  物理學(xué)院  大氣與海洋科學(xué)系

在現(xiàn)代氣候條件下，地球冰凍圈主要存在于高緯度、高海拔和大氣對(duì)流層中層至中間層。但在地球?46?億年的歷史中，地球氣候經(jīng)歷了劇烈的冷暖變化，因此地球冰凍圈的范圍也在不斷地波動(dòng)。在暖期，地球的兩極甚至沒有冰蓋；而在極端寒冷期，冰凍圈推進(jìn)到赤道附近，地球甚至進(jìn)入了全冰封的狀態(tài)。

如果我們把視野放大到整個(gè)太陽系，各行星的冰凍圈所展示的豐富多樣性遠(yuǎn)超出了我們基于地球所形成的冰凍圈概念。由于各行星和衛(wèi)星的表面氣壓、溫度與地球存在巨大的差異，它們的冰凍圈與地球冰凍圈有著很大的不同。

特別地，行星冰凍圈還包括其他易揮發(fā)組分的冰凍圈層。例如，在火星極低的溫度條件下，二氧化碳能夠形成干冰并沉降；氮?dú)庠谮ね跣巧峡梢孕纬傻?。在太陽系的外圍，一些矮行星和衛(wèi)星主要是由水分組成的，這些天體的殼層是由冰凍圈組成的；在極低的溫度條件下，這些矮行星和衛(wèi)星的水冰物理性質(zhì)與地球上的水冰完全不同。

在太陽系之外，目前已發(fā)現(xiàn)了?4?000?多顆系外行星，其中?10—20?顆有可能是適宜類地生命存在的宜居行星。這些太陽系外宜居行星大多是潮汐鎖相行星——其一面永遠(yuǎn)朝向其恒星，而另一面永遠(yuǎn)背向恒星?？梢韵胂?，這些行星背陽面的冰凍圈與地球冰凍圈應(yīng)該有著很大的差異。

在本文中，我們首先簡(jiǎn)要介紹地球歷史上的主要冰河期，然后介紹太陽系行星冰凍圈，最后介紹太陽系外宜居行星的冰凍圈。

兩次“冰雪地球”事件

回顧地球?46?億年的歷史，氣候的總體趨勢(shì)是不斷變冷的。自地球形成到距今?25?億年前，除去大約距今?30?億年前可能存在一段較短的寒冷時(shí)期外，地球上基本沒有冰河期存在；并且，這段時(shí)間內(nèi)地球兩極地區(qū)很可能也沒有冰蓋，地球冰凍圈很可能僅存在于大氣層，也就是冰晶云。早期地球的平均表面溫度較現(xiàn)在高得多，氧、硅同位素等其他地質(zhì)證據(jù)也支持這一結(jié)論。

距今?25?億年以來，地球上出現(xiàn)過?5?次大的冰河期，其中?2?次為全球性的，分別發(fā)生在距今?23?億年前的古元古代和距今?8?億—6?億年前的新元古代。當(dāng)這?2?次冰河期達(dá)到巔峰時(shí)，全球平均溫度降低到??50℃?或更低，陸地被冰川所覆蓋，海冰厚度達(dá)?1—2?km，并且延伸到赤道地區(qū)，甚至赤道地區(qū)的海洋也被冰封，地球冰凍圈范圍擴(kuò)展到最大。這?2?次全球性的冰河期也被稱為“冰雪地球”（Snowball Earth）。當(dāng)全球海洋被冰封之后，水循環(huán)基本被切斷，不會(huì)再產(chǎn)生降雪，而最初的積雪逐漸形成冰；此時(shí)，地球?qū)嶋H上是被冰所覆蓋，因此稱為“冰球地球”更合適一些。

這?兩次全球性冰川的證據(jù)主要來自?3?個(gè)方面：

1. 在現(xiàn)代，所有大陸上均發(fā)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)這?2?個(gè)時(shí)期的冰川殘跡層。根據(jù)古地磁的證據(jù)可以推測(cè)出當(dāng)時(shí)的大陸基本都集中在熱帶地區(qū)，這說明當(dāng)時(shí)赤道地區(qū)大陸也存在冰川。

2. 兩個(gè)時(shí)期都有條帶型鐵礦石的形成，這說明在條帶型鐵礦石形成之前海洋曾經(jīng)被完全冰封過。只有在海洋完全被冰封的情況下，海洋中氧的來源被切斷，在無氧狀態(tài)下，鐵溶解于海水的現(xiàn)象才能發(fā)生（在無氧的情況下，鐵是可以溶解于水的）；而當(dāng)海冰融化后，大氣中的氧進(jìn)入海洋，鐵與氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成氧化鐵，從海水中沉淀下來，并形成條帶型的鐵礦石。

3. 冰川殘積層上面存在深厚的碳酸鹽巖。這說明在冰川期期間，陸地表面硅酸鹽風(fēng)化反應(yīng)被停止或極大地削弱，火山噴發(fā)的?CO??不斷在大氣中累積；當(dāng)冰川消融后，大氣中?CO??通過風(fēng)化反應(yīng)形成碳酸鈣，并沉降下來。

古元古代冰河期（也被稱為休倫冰河期）有可能是地球歷史上持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的冰川期。關(guān)于古元古代“冰雪地球”的形成，一般認(rèn)為與大氣中甲烷的氧化有關(guān)。那時(shí)大氣的氧氣開始不斷累積和升高；氧化反應(yīng)使得大氣中甲烷濃度降低，溫室效應(yīng)減弱；繼而地球變冷，從而誘發(fā)了古元古代“冰雪地球”的形成。

新元古代“冰雪地球”事件包括了至少?3—4?次全球性冰川的形成和融化過程，其中至少有?2?次冰川事件是全球性的。新元古代“冰雪地球”的形成和融化與?CO??濃度的變化有關(guān)，是一個(gè)典型的碳酸鹽-硅酸鹽循環(huán)氣候負(fù)反饋機(jī)制的結(jié)果。

新元古代“冰雪地球”形成和融化分為?4?個(gè)階段：

1.熱帶裸露的地表導(dǎo)致強(qiáng)的風(fēng)化反應(yīng)，CO??濃度降低，溫室效應(yīng)減弱；

2.在冰雪-反照率正反饋的作用下，陸地冰川和海冰自高緯度向熱帶擴(kuò)張，形成全球性冰封；

3.冰封后，風(fēng)化反應(yīng)中斷，火山噴發(fā)的?CO??在大氣中累積，溫室效應(yīng)增強(qiáng)；

4.當(dāng)?CO??濃度足夠高，溫室效應(yīng)變得足夠強(qiáng)，“冰雪地球”融化，地球返回溫和的氣候態(tài)。

整個(gè)過程正好代表了?1?次碳酸鹽-硅酸鹽循環(huán)，也反映了該循環(huán)的負(fù)反饋機(jī)制對(duì)氣候穩(wěn)定性的作用。與古元古代“冰雪地球”的形成不同，新元古代“冰雪地球”的形成是由于?CO??濃度降低，而非?CH??濃度降低。2?次全球性冰川的融化則都是由于?CO??濃度升高所導(dǎo)致的溫室效應(yīng)變強(qiáng)造成的。

這?2?次“冰雪地球”事件對(duì)傳統(tǒng)的地球深時(shí)古氣候變化和生命演化是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。迄今為止，地學(xué)界關(guān)于這?2?次全球性冰川事件還存在廣泛的爭(zhēng)論。爭(zhēng)論的要點(diǎn)為海洋究竟是完全被冰封，還是熱帶海洋仍保留有開放的海域。雖然所有的證據(jù)都表明在元古代的早期和晚期確實(shí)出現(xiàn)過地球歷史上最為嚴(yán)重的冰河期，但這些證據(jù)還不能充分證明地球在這?2?個(gè)時(shí)期被完全冰封過。就現(xiàn)有的證據(jù)而言，熱帶保留開放的洋面似乎更合理一些。如果地球確實(shí)被完全冰封數(shù)百萬年，原始生命如何延續(xù)將是一個(gè)很難回答的問題。

太陽系行星冰凍圈

相對(duì)于太陽系其他行星和衛(wèi)星的冰凍圈而言，地球冰凍圈僅是冰山一角。與高海拔的山峰具有雪線一樣，太陽系也有一條雪線，距離太陽大約?2.7?AU，位于火星和木星之間（圖?1?中的白色線）。

圖 1 太陽系中太陽、八大行星和雪線的位置 從左到右的星球依次為：太陽、水星、金星、地球、火星、木星、土星、海王星和天王星；火星與木星之間的白色虛線為雪線

在太陽系雪線之內(nèi)有?4?顆固態(tài)行星，分別是水星、金星、地球和火星；而在太陽系雪線之外是?4?顆氣態(tài)行星，分別是木星、土星、海王星和天王星。在太陽系雪線的內(nèi)側(cè)，水冰不可能在太陽直射下永久存在，很容易揮發(fā)成為水汽。而在太陽系雪線外圍，星體溫度已非常低；根據(jù)克勞修斯-克拉伯龍方程，水冰表面已很難揮發(fā)，因此，水冰是可以永久存在的，并在地質(zhì)時(shí)間尺度上保持穩(wěn)定狀態(tài)。

在太陽系雪線之外，除了?4?個(gè)氣態(tài)巨行星，還擁有大量的矮行星、小行星和固態(tài)衛(wèi)星，而它們都包含大量的水冰。實(shí)際上，一些衛(wèi)星的殼層主要是由水冰組成的，通常被稱為冰衛(wèi)星。觀測(cè)表明，多個(gè)冰衛(wèi)星還擁有豐富的地質(zhì)活動(dòng)，如冰殼裂解、下層水汽等物質(zhì)向外噴發(fā)等，這些極大地拓展了冰凍圈的外延。因此，就整個(gè)太陽系來說，冰凍圈的概念是豐富多彩的。

行星冰凍圈的研究對(duì)于理解和尋找生命起源，以及研究地球和其他行星的氣候演變有著重要價(jià)值，也有為未來行星探測(cè)器乃至星際定居點(diǎn)提供重要的能量和物質(zhì)來源的潛力。

在太陽系雪線內(nèi)側(cè)，4?顆固態(tài)行星在太陽系形成之初就是貧水的，因此它們冰凍圈的范圍普遍較小。水星由于質(zhì)量太小而無法維持顯著的大氣層，地球的衛(wèi)星——月球也如此。二者表面能夠被太陽直射的部分都不可能有水冰存在，因?yàn)樵谔柟庹丈湎?，冰將很快升華并逃逸到太空。

關(guān)于水星和月球兩極隕石坑內(nèi)永久陰影區(qū)中是否存在水冰的爭(zhēng)論，持續(xù)了整個(gè)?20?世紀(jì)。直到最近幾年，“信使號(hào)”探測(cè)器和“嫦娥”系列探月衛(wèi)星為我們提供了越來越多的證據(jù)，顯示水星和月球極區(qū)隕石坑內(nèi)的永久陰影區(qū)中存在有少量的水冰?。金星由于其大氣溫室效應(yīng)太強(qiáng)，近地面氣溫接近?500℃，地表不可能存在水或者冰。

火星曾是人類尋找液態(tài)水的首選?；鹦侨蚱骄鶞囟鹊陀??60℃，其極區(qū)冬季溫度低于??150℃。盡管一些地貌特征和沉積物顯示，火星在?30?億年前可能曾經(jīng)存在豐富的液態(tài)水甚至海洋，但現(xiàn)在，火星中低緯度地區(qū)表面沒有發(fā)現(xiàn)水冰，中低緯度地區(qū)的次表層是否存在凍土或水冰還不太清楚。火星南、北兩極的冰帽是火星冰凍圈的主體（圖?2）。

圖 2   火星南北兩極地區(qū)永久冰帽圖像 （a）北極冰帽；（b）體積相對(duì)較小的南極冰帽；資料來源：NASA/JPL/USGS

火星北極冰帽較大，直徑約為?1?100?km，厚度?2—3?km，整個(gè)冰帽的體積約為?190萬?km3，與格陵蘭冰蓋的體積（285?km3）接近；南極冰帽較小，直徑約為?400?km，冰蓋厚度與北極冰帽相當(dāng)。

火星兩極冰帽都由水冰和干冰（固態(tài)?CO?）組成，相對(duì)來講，北極冰帽水冰較多，而南極冰帽則以干冰為主。火星兩極冰帽均存在季節(jié)性變化，主要是由干冰的季節(jié)變化造成的：火星兩極的冬季溫度均低于?CO??凝固的溫度。因此，在冬季火星大氣中的?CO?在兩極地區(qū)凍結(jié)并沉降，形成干冰。在夏季，火星北極溫度可高達(dá)??68℃，超過了?CO??的升華溫度，因此其地表干冰升華進(jìn)入大氣層。相對(duì)而言，火星南極夏季溫度很少超出??125℃，因此干冰不易升華。這造成了火星南北兩極冰帽成分的差異。

這里特別需要指出的是，火星的冰凍圈已不僅僅涉及水冰，還包括干冰。因此，行星冰凍圈不僅包含水分的冰凍圈，其他大氣成分的凝固也是行星冰凍圈的一部分。

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。現(xiàn)有的研究和探測(cè)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(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的“黎明號(hào)”探測(cè)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(luò)物。另外，在谷神星上還發(fā)現(xiàn)了冰火山。阿胡拉山（Ahuna Mons）便是一個(gè)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(fā)出來形成的冰山。

圖 3 谷神星上的阿胡拉冰火山 資料來源：NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA（https://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA21906）

除了谷神星，小行星帶內(nèi)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(dāng)一部分是在晚期大轟擊時(shí)期（距今?42?億—38?億年前），由小行星帶內(nèi)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(duì)我們理解地球水的來源和生命演化極為重要。

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

水冰覆蓋了木衛(wèi)二（Europa）、木衛(wèi)三（Ganymede）和木衛(wèi)四（Callisto）的表面并成為這些衛(wèi)星的殼層。這些殼層與由巖石物質(zhì)所構(gòu)成的地球殼層完全不同。在這些衛(wèi)星的水冰殼層之下，很可能存在著液態(tài)海洋。因?yàn)橐簯B(tài)水是生命存在的首要條件，所以木衛(wèi)二受到了最廣泛的關(guān)注。20?世紀(jì)?70?年代發(fā)射的“旅行者號(hào)”探測(cè)器拍下的大量照片顯示，木衛(wèi)二的水冰表面布滿了縱橫交錯(cuò)的山脊—山谷—山脊?fàn)盍鸭y。

此外，還有約占表面積?1/4?的冰川表面“破裂”為數(shù)千米大小的破碎多邊形單元，顯示在引力潮汐作用下，木衛(wèi)二殼層下液體流動(dòng)的痕跡。根據(jù)這些觀測(cè)，很多科學(xué)家相信木衛(wèi)二的水冰殼層下存在一個(gè)較深厚的海洋。重力場(chǎng)測(cè)量表明木衛(wèi)二外圈冰層和可能的地下海洋總深度達(dá)到約?100—200?km。

土星的冰衛(wèi)星與木星的冰衛(wèi)星類似。以土衛(wèi)二為例，其密度約為?1?600?kg?·?m?3，對(duì)應(yīng)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(gè)全球性的海洋。土衛(wèi)二有著令我們始料未及的地質(zhì)活動(dòng)強(qiáng)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(fā)出超音速冰粒、水蒸氣和其他氣體，達(dá)到幾百公里的高度（圖?4）。

圖 4 “卡西尼號(hào)”飛船拍攝的土衛(wèi)二照片 （a）偽彩色圖，顯示土衛(wèi)二全球均被水冰冰殼所覆蓋；其中，右上方可見較為密集的隕石坑，下方4條平行的淡藍(lán)色條紋是南極區(qū)域的“老虎紋”，也是“噴泉”噴發(fā)的位置；（b）土衛(wèi)二南極“老虎紋”所噴出的氣體和固體噴泉；資料來源：NASA PIA07800，PIA11688

噴發(fā)物大部分落回土衛(wèi)二表面，而約有?9%?的物質(zhì)在土星引力作用下，成為壯觀的土星環(huán)的一部分（E?環(huán)）。土星美麗的光環(huán)也主要是由水冰顆粒所組成?！翱ㄎ髂崽?hào)”飛船多次穿越后測(cè)得其氣體成分主要是水汽，還含有?5% 二氧化碳、1% 甲烷、1%?氨，以及少量較重的碳?xì)浜陀袡C(jī)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(tài)水和化學(xué)能來源（氧化還原梯度），而前兩者幾乎都能夠在土衛(wèi)二上找到。這使土衛(wèi)二成為天體生物學(xué)研究，特別是成為尋找生命起源的一個(gè)重要研究目標(biāo)。

土衛(wèi)六又稱“泰坦”，是太陽系中唯一擁有濃密大氣的衛(wèi)星。大氣中的?CH??和?N??發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，生成高階碳?xì)浠衔锖碗骖愇镔|(zhì)，形成的有機(jī)氣溶膠顆粒成為土衛(wèi)六大氣中的霾?！翱ㄎ髂崽?hào)”飛船通過雷達(dá)發(fā)現(xiàn)在土衛(wèi)六不到?100?K?表面溫度下存在一系列的?甲烷湖，小的不到?10?km3，最大的克拉肯海達(dá)到?500?000?km3。

土衛(wèi)六是目前已知的地球之外唯一在表面擁有穩(wěn)定的大面積的液體存在的天體。CH?在土衛(wèi)六的角色與水在地球的作用很相似，CH?湖的存在維持了大氣層中的?CH??含量，同時(shí)產(chǎn)生了?CH??云；地面有著縱橫交錯(cuò)的河流痕跡，表明土衛(wèi)六上可能有間斷發(fā)生的液態(tài)?CH??沉降。此外，“卡西尼號(hào)”飛船所投放的“惠更斯號(hào)”探測(cè)器在土衛(wèi)六的著陸點(diǎn)附近還拍攝到許多鵝卵石大小的、可能包裹了碳?xì)浠衔锏乃?/p>

在太陽系外側(cè)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(gè)星體，屬于矮行星范疇，其殼層主要由水冰構(gòu)成。冥王星表面溫度?30—60?K，在如此低的溫度條件下，N?、?CH??和一氧化碳（CO）等易揮發(fā)物質(zhì)都以固態(tài)冰的形式存在，并與一些光化學(xué)產(chǎn)生的有機(jī)物一起覆蓋在由水冰構(gòu)成的“基巖”上。這些易揮發(fā)性冰的厚度和成分比例隨溫度變化呈現(xiàn)顯著的變化。與土衛(wèi)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(yuǎn)日點(diǎn)時(shí)，冥王星表面溫度較低，大氣壓也較低；而在近日點(diǎn)時(shí)，表面溫度較高，N?、?CH??和?CO?揮發(fā)進(jìn)入大氣，大氣壓也隨之升高。

“新視野號(hào)”探測(cè)器在飛越冥王星時(shí)拍攝的照片顯示，冥王星有一個(gè)“心臟形”的平原，被稱為“斯普尼克平原”。該平原是一個(gè)盆地，四周都是水冰形成的冰山，高度?2—3?km，還發(fā)現(xiàn)了冰火山的活動(dòng)痕跡（圖?5）。

圖 5 “新視野號(hào)”探測(cè)器拍攝的冥王星斯普尼克平原上的氮冰川照片

該平原上覆蓋著數(shù)千米厚的易揮發(fā)冰層，主要成分是?N?，還有少量CH??和?CO。觀測(cè)表明，這層氮冰能夠進(jìn)行固體對(duì)流運(yùn)動(dòng)，還能夠通過黏性流動(dòng)不斷更新其表面。

太陽系外行星冰凍圈

1995?年，第一顆圍繞類太陽恒星公轉(zhuǎn)的太陽系外行星（簡(jiǎn)稱“系外行星”）被確認(rèn)。這是一個(gè)劃時(shí)代的事件，其發(fā)現(xiàn)者?Michel Mayor?和?Didier Queloz?獲得了?2019?年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。在?1995?年之后，每年累計(jì)確認(rèn)的系外行星數(shù)目呈指數(shù)增加，目前已經(jīng)確認(rèn)了?4?000?多顆系外行星。其中，有?10—20?顆可能是宜居行星。一顆行星是否宜居取決于諸多條件，如地表水、恒星輻射、行星軌道、大氣成分、臭氧層、板塊構(gòu)造、磁場(chǎng)等，但液態(tài)水是生命存在的首要條件。行星的地表是否能夠長(zhǎng)期維持液態(tài)水的存在，主要取決于地表溫度。如果一顆行星上的水常年都以固態(tài)的形式存在，完全被凍結(jié)，那么這類行星肯定是不宜居的。

在系外行星中，最有可能出現(xiàn)冰凍圈的是圍繞著紅矮星公轉(zhuǎn)的行星。紅矮星質(zhì)量較小、大約只有太陽的?7.5%—60%，其輻射溫度較低，大約在?2?300—3?800?K。相對(duì)而言，太陽的表面溫度是?5?800?K。因?yàn)榧t矮星的質(zhì)量較小，其核聚變反應(yīng)速率比太陽的慢很多，其壽命也較類太陽恒星要長(zhǎng)很多，所以銀河系中?80%?以上的恒星是紅矮星，而類太陽恒星或質(zhì)量更大的恒星數(shù)量很少。

目前，已發(fā)現(xiàn)的大部分系外行星是圍繞著紅矮星公轉(zhuǎn)的。因?yàn)榧t矮星的輻射強(qiáng)度比太陽的小很多，所以其周圍的宜居行星與母星距離較近，受到恒星的潮汐力很大，形成潮汐鎖相。這些宜居行星的一面永遠(yuǎn)擁有陽光，另一面永遠(yuǎn)處于黑暗之中。月球就是被地球鎖相；因此，我們只能看到月球的一面，而無法看到月球的另一面。

潮汐鎖相行星的大氣環(huán)流與地球的非常不同。它們的大氣環(huán)流在朝陽面輻合上升，在背陽面輻合下沉，再通過邊界層回到向陽面。這種大氣環(huán)流可以將水汽和熱空氣從向陽面輸送到背陽面，同時(shí)將冷空氣從背陽面輸送到向陽面。背陽面因?yàn)橛肋h(yuǎn)接收不到恒星輻射，溫度很低，海洋有可能被凍結(jié)，水汽將凝結(jié)成冰雪，沉降到地表，并形成冰蓋。因此，潮汐鎖相行星背陽面是冰凍圈的發(fā)育區(qū)。

潮汐鎖相行星背陽面冰川的厚度取決于諸多因素。首要因素是冰川底部地?zé)嵬康膹?qiáng)度，地?zé)嵬吭酱?，冰川越不容易變厚，被凍結(jié)在背陽面的水分就越少。其次，在重力作用下，背陽面冰川會(huì)發(fā)生自背陽面向朝陽面的流動(dòng)，當(dāng)冰川流回到朝陽面時(shí)，將被融化，形成湖泊或者海洋。

如果行星的水分較少，水分很容易被凍結(jié)在背陽面，那么此類行星是不宜居的。如果行星的水分足夠多，即使部分水分被凍結(jié)在背陽面，但朝陽面仍將保留海洋，因此將是宜居的。海洋環(huán)流也可以將熱量從向陽面輸送到背陽面，有效地加熱背陽面，使得背陽面冰川和海冰的厚度不至于太厚。

圖?6?是使用海-氣耦合氣候模式和冰川模式模擬的鎖相行星背陽面陸地上的冰川厚度。在該模擬試驗(yàn)中，鎖相行星的地?zé)嵬亢椭亓铀俣染c地球的相同，背陽面冰蓋厚度最大可達(dá)到?2?km，冰川移動(dòng)最大速度是每年?1.0?m。以地球的海洋平均深度?4?km?為例，如果一顆鎖相行星背陽面的冰蓋厚度為?2?km，其朝陽面還應(yīng)該有?2?km?深的海洋。但如果整個(gè)海洋深度較淺，則很可能朝陽面沒有液態(tài)水存在，該行星將是非宜居的。

圖 6 潮汐鎖相行星背陽面陸地冰川厚度

結(jié)語

本文簡(jiǎn)要介紹了地球早期的?2?次“冰雪地球”事件和行星冰凍圈。有?2?點(diǎn)需要特別強(qiáng)調(diào)：

1.在不同溫度條件下，其他星體上的水冰物理特征與地球上水冰迥然不同；

2.在極低溫度條件下，易揮發(fā)分物質(zhì)在其他星體上也可以形成冰凍圈，這在地球上是很難想象的。

由于篇幅的關(guān)系，我們并沒有詳述其中的基本物理原理。實(shí)際上，任何一種物質(zhì)的相態(tài)是溫度和壓力的函數(shù)，其中任何一個(gè)條件或兩者的共同改變，都可以產(chǎn)生不同的相態(tài)。在高溫高壓下，水變成一種超級(jí)流體。在低溫低壓下，水冰堅(jiān)硬無比，可以是星體的殼層。另一個(gè)例子是，在我們通常的概念中，氫（H?）是一種氣體，但在高壓下，氫具有金屬的特征，甚至可以導(dǎo)電。人們甚至認(rèn)為，在木星的深部，由于大氣壓力非常大，氫具有金屬屬性。

如果把地球作為一顆行星來看待，其冰凍圈的演化歷史不僅是我們認(rèn)識(shí)其他行星冰凍圈的基礎(chǔ)，也對(duì)理解地球水分的來源有重要意義。地球的水分是其形成之初就具有的，還是后期小行星帶中星體撞擊地球帶來的？目前，我們對(duì)這一根本問題還沒有答案。未來的小行星探測(cè)，尤其是氫同位素測(cè)量有可能回答這一基礎(chǔ)問題。地球歷史上?2?次“冰雪地球”事件的形成機(jī)理及相關(guān)的科學(xué)問題仍然是地球科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。這些基礎(chǔ)性問題是我們認(rèn)識(shí)行星地球宜居性的根本。

行星冰凍圈豐富的多樣性將極大地加深我們對(duì)冰凍圈的理解。例如，火星兩極不僅存在水冰，還存在干冰；火星的次表層是否存在凍土和液態(tài)水是未來火星探測(cè)的目標(biāo)之一。太陽系雪線之外眾多矮行星和衛(wèi)星均擁有豐富的水分，以水冰的形式存在，并構(gòu)成這些星體的殼層。除此之外，其他易揮發(fā)組分如?CH?、N?、CO?也以固體形式存在，形成了與地球冰凍圈完全不同的行星冰凍圈。

深空探測(cè)是行星冰凍圈研究的主要手段。未來的深空探測(cè)，也將包括對(duì)行星冰凍圈的探測(cè)。在過去的?20?年，飛往土星系統(tǒng)的“卡西尼-惠更斯號(hào)”探測(cè)器和木星系統(tǒng)的“伽利略號(hào)”探測(cè)器為我們提供了許多關(guān)于冰衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)?！靶攀固?hào)”探測(cè)器對(duì)水星的觀測(cè)、“新視野號(hào)”探測(cè)器對(duì)冥王星及其衛(wèi)星的觀測(cè)、“黎明號(hào)”探測(cè)器對(duì)谷神星的觀測(cè)，以及“羅塞塔號(hào)”探測(cè)器對(duì)“菲萊”彗星的探測(cè)，為研究太陽系冰凍圈提供了寶貴數(shù)據(jù)。我國(guó)的“嫦娥”系列探月衛(wèi)星對(duì)月球的探測(cè)，也極大地豐富了我們對(duì)月球冰凍圈的知識(shí)。目前，正在木星軌道的“朱諾號(hào)”探測(cè)器和將在未來?10?年內(nèi)發(fā)射的“Europa Clipper”“JUICE”探測(cè)器將對(duì)木星的衛(wèi)星進(jìn)行更多維度的密集觀測(cè)，有望確定木星衛(wèi)星冰層的厚度、成分和流變性質(zhì)，并對(duì)冰殼層下是否存在液態(tài)海洋進(jìn)行更準(zhǔn)確的估計(jì)。這些探測(cè)計(jì)劃為了解太陽系冰凍圈和探測(cè)地外生命的存在具有至關(guān)重要的意義。

太陽系外宜居行星冰凍圈是系外行星宜居性研究的一個(gè)熱點(diǎn)。目前，所發(fā)現(xiàn)的可能宜居行星絕大多數(shù)是潮汐鎖相行星，其背陽面冰凍圈發(fā)育的強(qiáng)弱直接影響到朝陽面是否有液態(tài)水存在，也影響到這些行星的宜居性。下一代太空望遠(yuǎn)鏡也將觀測(cè)宜居行星的冰凍圈，我們期待著更多激動(dòng)人心的科學(xué)發(fā)現(xiàn)的到來。