コールドトラップ（天文学）

コールドトラップは、惑星科学における概念で、揮発性物質を凍結 (トラップ) できるほど低温の領域を表します。コールド トラップは、空気のない天体の表面または断熱大気の上層部に存在することがあります。空気のない天体では、コールド トラップ内に閉じ込められた氷は地質学的期間にわたってそこに留まる可能性があり、原始太陽系を垣間見ることができます。断熱大気では、コールド トラップは揮発性物質 (水など) が大気から宇宙に逃げるのを防ぎます。

水星、月、ケレスなど、太陽系の大気のない惑星の傾斜角（軸の傾き）は、ほぼゼロです。ハロルド・ユーリーは、これらの天体の極付近にある窪みやクレーターが、地質学的期間（数百万～数十億年）にわたって残る永続的な影を落とすことに初めて気付きました。 ^[1]大気が存在しないと対流による混合が妨げられ、これらの影は非常に低温になります。^[2]水氷などの揮発性物質の分子がこれらの永続的な影に移動すると、地質学的期間にわたって閉じ込められます。^[3]

これらの影は日射を受けないため、受ける熱のほとんどは周囲の地形から散乱または放射される。通常、空気のない物体の最上層は多孔性が高く熱伝導率が低いため、隣接するより暖かい領域からの水平方向の熱伝導は無視できる。したがって、これらの永久影の温度は、 1D垂直熱伝導モデルと組み合わせたレイキャスティングまたはレイトレーシングアルゴリズムを使用してモデル化できる。 ^{[4] [2]}ボウル型のクレーターなどの場合には、これらの影の平衡温度を表す式を得ることができる。^[5]

さらに、コールドトラップの温度（および安定性）は、探査機によって遠隔的に感知することができます。月のコールドトラップの温度は、ルナー・リコネッサンス・オービター・ディバイナー 放射計によって広範囲に研究されてきました。^{[6]水星では、レーダー、 [7]}反射率^{[8] [9]}および可視画像^[10]によって、コールドトラップ内の氷の堆積物の証拠が得られています。ケレスでは、コールドトラップはドーン宇宙船によって検出されました。^[11]

大気科学において、コールドトラップとは、深層および高層よりもかなり低温の大気層のことです。たとえば、地球の対流圏では、高度が上昇するにつれて空気の温度が下がり、最低点（高度約 20 キロメートル）に達します。この領域は、高沸点の上昇ガスを閉じ込めて地球に逆流させるため、コールドトラップと呼ばれます。^{[引用が必要]}

地球上の生物にとって、そのようにして保持される最も重要なガスは水蒸気です。大気中にコールド トラップがなければ、水分は徐々に宇宙に逃げていき、生命は不可能になります。コールド トラップは、高高度で大気中の水の 10 分の 1 パーセントを蒸気の形で保持します。地球のコールド トラップは、その上層では紫外線の強度が強くなる層でもあります。なぜなら、上層では水蒸気の量が無視できるほどだからです。酸素は紫外線の強度を遮断します。^{[引用が必要]}

一部の天文学者は、金星と火星が両方ともその歴史の初期に液体の水のほとんどを失ったのは、コールドトラップの欠如によるものだと考えています。^[12]地球のコールドトラップは海抜約12kmに位置しており、水蒸気が太陽の紫外線によって水素と酸素に永久に分解され、前者が宇宙に不可逆的に失われる高さよりはるかに低いです。地球の大気中のコールドトラップのため、地球は実際には100万年にわずか1ミリメートルの海水の割合で宇宙に水を失っています。これは、人間が引き起こした進行中の気候変動により極地の氷床が溶け、海水の熱膨張と相まって、毎年3ミリメートルの割合で海面が上昇している現在の速度と比較すると、人間に関連する時間スケールで海面変化に影響を与えるには遅すぎます。この速度では、地球上のすべての水が消滅するには、地球の平均寿命よりもはるかに長い数兆年かかるだろう（これは、人為的な気候変動により、ハリケーンや洪水などの異常気象が近い将来激化する理由でもある。より温暖な大気はより多くの水分を保持できるため、降水として戻ってくる水蒸気の量が増えるが、それでもコールドトラップが水蒸気が宇宙に失われるのを防ぎ、したがって地球の大気はそのようなことが起こるには冷たすぎるためである）。しかし、太陽が老化するにつれて最終的に温暖化すると、今後10億年かけてコールドトラップは弱まり、地球の大気はさらに温暖化し、コールドトラップがさらに大気圏上部に押し上げられるため、水蒸気が太陽の紫外線によって水素と酸素に分解されて宇宙に逃げるのを防ぐ能力が失われ、太陽が最終的に赤色巨星に膨張するはるか前に、地球は最終的に約10億年後に海を宇宙に失うことになる。

ピーター・ワードとドナルド・ブラウンリーが著書『地球の生と死』で指摘しているように、現在の海洋消失の実際のプロセスは、2度しか文書化されていない。1度目はアポロ16号月面ミッションの時（ただし、これは偶然の一致であり、このミッションの宇宙飛行士は、その特定のミッションのために一度だけ作成され使用されたユニークなカラザーズカメラを介して地球を観察していた。なぜなら、月には紫外線を遮断する大気がないため、このようなプロセスは紫外線の下で月からしか観察できないためである）、2度目は1990年代にスペースシャトルに搭乗した宇宙飛行士の研究を通してである。

土星の衛星タイタンには、大気中のメタンの一部しか保持できない非常に弱いコールドトラップがある。^[13]そのため、地球のコールドトラップが機能しなくなったときの大気の状態と最も近いのがタイタンであり、水の代わりにメタン、酸素とオゾンの代わりに光化学反応による炭化水素生成物が存在すると考えられている。^[14]

ガニメデではコールドトラップが酸素のために機能していると考えられている。^[15]