Насколько солен океан Энцелада подо льдом?

Дисклеймер: всю инфографику переводил я и постарался как можно более похожие шрифты подобрать, все ролики Youtube идут со встроенными английскими субтитрами и возможностью их перевести на удобный для вас язык.

Ледяной спутник Сатурна, Энцелад, вызывает повышенный интерес в последние годы, поскольку Cassini зафиксировал струи воды и другого материала, выбрасываемые из южного полюса луны. Одна особенно соблазнительная гипотеза, подтвержденная составом образцов, заключается в том, что в океанах может существовать жизнь под ледяными панцирями Энцелада. Чтобы оценить обитаемость Энцелада и выяснить, как лучше всего исследовать эту ледяную луну, ученым необходимо лучше понять химический состав и динамику океана Энцелада.

В частности, для обитаемости может быть важна соответствующая соленость. Как и в каше Трех медведей ( это отсылка к старой британской сказке ), уровень соли в воде должен быть подходящим для жизни. Слишком высокая соленость может угрожать жизни, а слишком низкая соленость может указывать на слабую реакцию вода-порода, ограничивая количество доступной для жизни энергии. Если жизнь действительно существует, циркуляция океана, которая также косвенно зависит от солености, будет определять, куда переносятся тепло, питательные вещества и потенциальные биосигнатуры, и, следовательно, является ключом к обнаружению биосигнатур.

Группа ученых, работающая с доктором Ваннинг Кангом из Массачусетского технологического института, подходит к этим вопросам путем численного моделирования вероятной циркуляции океана для различных возможных уровней солености и оценки вероятности каждого сценария, задавая вопрос, может ли он поддерживать наблюдаемую геометрию ледяной оболочки, построенную по данным Cassini.

Циркуляция океана зависит от разницы в плотности составляющей его воды в разных частях океана. Более плотная вода будет течь в сторону менее плотной, чтобы достичь равновесия. Эти различия в плотности сами по себе контролируются двумя ключевыми факторами: местоположением источника тепла на луне и соленостью океана, оба из которых в настоящее время плохо изучены.

На Энцеладе есть два места для потенциального источника тепла: в силикатном ядре или в нижнем шельфовом леднике, где он встречается с верхней частью океана. Если в силикатном ядре вырабатывается значительное количество тепла из-за приливных изгибов под океаном, ученые ожидают увидеть конвекцию, точно такую же, как при кипячении воды в горшке. Точно так же, если замерзание происходит на поверхности океана, соль будет вытеснена изо льда, увеличивая локальную плотность воды и вызывая конвекцию сверху.

Соленость также играет ключевую роль в расчетах плотности. При относительно низком уровне солености вода сжимается при нагревании около точки замерзания, делая ее более плотной. Поскольку океан Энцелада соприкасается с глобальным ледяным панцирем, он близок к замерзанию. Это противоречит тому, как большинство людей думают о потеплении, которое обычно означает, что с повышением температуры материал становится менее плотным. При более высокой солености это становится правдой, и вода начинает вести себя нормально, расширяясь при нагревании.

Учитывая неопределенность солености океана Энцелада (от 4 до 40 граммов соли на килограмм воды) и того, какой процент нагрева планеты происходит в любом из двух источников, доктор Кан и ее соавторы использовали модель океана Массачусетского технологического института для моделирования циркуляция океана в различных комбинациях, если предположить, что наблюдаемый ледяной панцирь поддерживается за счет замерзания в толстых ледяных областях и таяния в других местах. Это в значительной степени справедливо для ледяных миров, поскольку шельфовые ледники со временем сгладятся естественным образом из-за течения льда, если никакой другой процесс не поддерживает разницу.

Команда диагностировала перенос тепла при различных сценариях и обнаружила, что только некоторые из них могут в целом поддерживать «сбалансированный» тепловой баланс, то есть то, как различные источники тепла (количество теплового потока от океана ко льду, плюс тепло произвенное во льду из-за приливного изгиба плюс скрытое тепловыделение) может точно уравновесить теплопотери через ледяной панцирь.

Согласно модели, такой баланс может быть достигнут в широком смысле, если соленость океана находится на некотором промежуточном уровне (10-30 г / кг) и если ледяная оболочка является доминирующим источником тепла. Когда эти два условия выполнены, циркуляция океана слабая. В результате теплая полярная вода не будет слишком эффективно перемешиваться к экватору, поэтому экваториальное таяние не произойдет. Это приводит к образованию более толстого шельфового ледника вокруг экватора луны, как это наблюдал Cassini. Это также означает, что давление на границе раздела вода-лед ниже на полюсах, а это означает, что она также имеет более высокую температуру замерзания, чем вода на экваторе.

Для сценариев с «несбалансированным» тепловым балансом, это означает, что часть тепла, создаваемого на луне, не отводится, перенос тепла к экватору слишком эффективен, и экваториальная ледяная оболочка будет иметь тенденцию таять. Между тем, сила градиента давления будет направлять ледяной поток от экватора к полюсам. Вместе таяние поток льда неизбежно уменьшит толщину льда вблизи экватора. Согласно этому сценарию, наблюдаемая геометрия льда не может сохраняться на протяжении всей жизни луны.

В конце концов, работа доктора Кан и ее коллег подчеркивает, что ледяная оболочка и циркуляция океана на ледяных спутниках должны рассматриваться как взаимосвязанная система: циркуляция океана перераспределяет тепло и формирует ледяную оболочку, и, в свою очередь, замерзание ледяной оболочки / таяние и изменение толщины стимулируют циркуляцию океана. Хорошим результатом этого исследования является то, что оно указывает на возможность вывести одно из другого, что может быть полезно далеко за пределами Энцелада. В рамках этих усилий по изучению ледяных лун в нашей Солнечной системе группа, известная как программа «Исследование океанических миров», будет работать вместе, чтобы углубить наше понимание обитаемости ледяных лун и оптимального способа их исследования.

Источник: UniverseToday