خط الصقيع (الفيزياء الفلكية)

في علم الفلك أو علم الكواكب ، يُعرف خط الصقيع ، أو خط الثلج ، بأنه أقصر مسافة من النجم الأولي المركزي للسديم الشمسي حيث تكون درجة الحرارة منخفضة بما يكفي لتكثف المركبات المتطايرة مثل الماء والأمونيا والميثان وثاني أكسيد الكربون وأول أكسيد الكربون إلى حبيبات صلبة ، مما يسمح بتراكمها لتكوين الكويكبات . خارج هذا الخط، يمكن تكثيف المركبات الغازية (الأكثر وفرة) بسهولة لتكوين الكواكب الغازية العملاقة والجليدية العملاقة ؛ بينما داخل هذا الخط، لا يمكن تراكم سوى المركبات الأثقل لتكوين الكواكب الصخرية الأصغر حجمًا .

المصطلح نفسه مستعار من مفهوم " خط الصقيع " في علم التربة ، والذي يصف أقصى عمق يمكن أن تتجمد فيه المياه الجوفية من السطح.

لكل مادة متطايرة حد تجمد خاص بها (مثل أول أكسيد الكربون، ^{[ 1 ]} والنيتروجين ، ^{[ 2 ]} والأرجون ^{[ 3 ]} )، لذا من المهم تحديد حد التجمد الخاص بكل مادة على حدة، مع العلم أن الإغفال شائع، خاصةً بالنسبة لحد تجمد الماء. يمكن استخدام غاز متتبع للمواد التي يصعب الكشف عنها بطرق أخرى؛ على سبيل المثال ، الديازينيلوم لأول أكسيد الكربون.

تختلف درجات حرارة تكثف المركبات المتطايرة المختلفة باختلاف الضغوط الجزئية (وبالتالي اختلاف الكثافات) في سديم النجم الأولي، لذا تختلف خطوط تجمدها. وتعتمد درجة الحرارة والمسافة الفعليتان لخط تجمد جليد الماء على النموذج الفيزيائي المستخدم في حسابه وعلى النموذج النظري للسديم الشمسي.

• 170 كلفن عند 2.7 وحدة فلكية (AU؛ هاياشي، 1981) ^{[ 4 ]}
• 143 كلفن عند 3.2 وحدة فلكية إلى 150 كلفن عند 3 وحدة فلكية (بودولاك وزوكر، 2010) ^{[ 5 ]}
• 3.1 الاتحاد الأفريقي (مارتن وليفيو، 2012) ^{[ 6 ]}
• ≈150 كلفن للحبوب ذات الحجم الميكرومتري و ≈200 كلفن للأجسام ذات الحجم الكيلومتري (D'Angelo and Podolak, 2015) ^{[ 7 ]}

يتغير موقع خط الصقيع بمرور الوقت، وقد يصل إلى نصف قطر أقصى يبلغ17.4  وحدة فلكية لنجم ذي كتلة شمسية قبل أن تتناقص بعد ذلك. ^{[ 8 ]}

يتغير الموقع القطري لجبهة التكثيف/التبخر بمرور الوقت مع تطور السديم. ويُستخدم مصطلح " خط التجمد" أحيانًا للدلالة على المسافة الحالية التي يمكن أن يكون عندها جليد الماء مستقرًا (حتى تحت أشعة الشمس المباشرة). وتختلف مسافة خط التجمد الحالية عن مسافة خط التجمد عند التكوين ، والتي كانت سارية المفعول أثناء تكوين النظام الشمسي ، وتُعادل تقريبًا 5 وحدات فلكية. ^{[ 9 ]} ويعود سبب هذا الاختلاف إلى أنه أثناء تكوين النظام الشمسي، كان السديم الشمسي سحابة معتمة حيث كانت درجات الحرارة منخفضة بالقرب من الشمس، وكانت الشمس نفسها أقل طاقة. وبعد التكوين، دُفن الجليد تحت الغبار المتساقط وظل مستقرًا على عمق بضعة أمتار تحت السطح. وإذا انكشف الجليد ضمن مسافة 5 وحدات فلكية ، مثلاً عند فوهة بركانية، فإنه يتسامى بسرعة نسبية. ومع ذلك، بعيدًا عن ضوء الشمس المباشر، يمكن أن يظل الجليد مستقرًا على سطح الكويكبات (والقمر وعطارد) إذا كان موجودًا في الفوهات القطبية المظللة بشكل دائم، حيث قد تظل درجة الحرارة منخفضة جدًا على مدار عمر النظام الشمسي (على سبيل المثال، 30-40 كلفن على سطح القمر).

تشير الملاحظات التي رُصدت لحزام الكويكبات ، الواقع بين المريخ والمشتري، إلى أن خط تجمد الماء أثناء تكوّن النظام الشمسي كان يقع ضمن هذه المنطقة. الكويكبات الخارجية هي أجسام جليدية من الفئة C (على سبيل المثال، آبي وآخرون، 2000؛ موربيديلي وآخرون، 2000)، بينما يخلو حزام الكويكبات الداخلي إلى حد كبير من الماء. وهذا يعني أنه عندما حدث تكوّن الكواكب الصغيرة، كان خط التجمد يقع على بُعد حوالي 2.7 وحدة فلكية من الشمس. ^{[ 6 ]}

على سبيل المثال، يقع الكوكب القزم سيريس، الذي يبلغ نصف محوره الرئيسي 2.77 وحدة فلكية، تقريبًا عند الحد الأدنى المُقدَّر لخط تجمد الماء أثناء تكوين النظام الشمسي. ويبدو أن سيريس يمتلك غلافًا جليديًا، وربما يحتوي على محيط مائي تحت سطحه. ^{[ 10 ] [ 11 ]} وقد تم رصد جليد مائي على سطح النجم 24 ثيميس الذي يدور حول الشمس على مسافة متوسطة تبلغ 3.1 وحدة فلكية. ^{[ 12 ]}

انخفاض درجة الحرارة في السديم خلف خط التجمد يُتيح وجود كميات أكبر من الحبيبات الصلبة لتكوين الكويكبات، والتي بدورها تُشكّل الكواكب . ولذلك، يفصل خط التجمد الكواكب الأرضية عن الكواكب العملاقة في النظام الشمسي. ^{[ 13 ]} مع ذلك، تم اكتشاف كواكب عملاقة داخل خط التجمد حول عدة نجوم أخرى (ما يُعرف بالكواكب العملاقة الساخنة ). ويُعتقد أنها تشكلت خارج خط التجمد، ثم هاجرت لاحقًا إلى مواقعها الحالية. ^{[ 14 ] [ 15 ]} أما الأرض، التي تقع على بُعد أقل من ربع المسافة إلى خط التجمد، ولكنها ليست كوكبًا عملاقًا، فلديها جاذبية كافية لمنع غاز الميثان والأمونيا وبخار الماء من التسرب منها. يُعد الميثان والأمونيا نادرين في الغلاف الجوي للأرض فقط بسبب عدم استقرارهما في جو غني بالأكسجين ناتج عن عملية التمثيل الضوئي التي تشير كيمياءها الحيوية إلى وفرة الميثان والأمونيا في وقت ما، ولكن بالطبع يشكل الماء السائل والجليد ، وهما مستقران كيميائياً في مثل هذا الغلاف الجوي، جزءًا كبيرًا من سطح الأرض.

اقترح الباحثان ريبيكا مارتن وماريو ليفيو أن أحزمة الكويكبات قد تميل إلى التكوّن بالقرب من خط التجمد، نتيجةً لتأثير الكواكب العملاقة القريبة التي تعيق تكوّن الكواكب داخل مداراتها. ومن خلال تحليل درجة حرارة الغبار الدافئ الموجود حول حوالي 90 نجمًا، خلصا إلى أن الغبار (وبالتالي أحزمة الكويكبات المحتملة) يوجد عادةً بالقرب من خط التجمد. ^{[ 16 ]} قد تكون الآلية الكامنة وراء ذلك هي عدم الاستقرار الحراري لخط التجمد على مدى زمني يتراوح بين 1000 و10000 عام، مما يؤدي إلى ترسب دوري لمواد الغبار في حلقات محيطة بالنجوم ضيقة نسبيًا. ^{[ 17 ]}

• المنطقة الصالحة للسكن حول النجم
• فرضية السديم
• السديم الشمسي

• البنية الحرارية وموقع خط الثلج في السديم الشمسي الأولي: نماذج متناظرة محورية مع نقل إشعاعي ثلاثي الأبعاد كامل، بقلم م. مين، سي. بي. دوليموند، م. كاما، سي. دومينيك
• على خط الثلج في الأقراص الكوكبية الأولية المتربة بقلم د. د. ساسيلوف وم. ليكار