Ученые обнаруживают, что все больше и больше объектов Солнечной системы имеют теплые океаны под ледяной оболочкой. Спутники Энцелад и Европа — два наиболее известных, и другие спутники, такие как Ганимед и Каллисто, вероятно, тоже имеют их. Даже на карликовой планете Церера может быть океан. Но может ли кто-нибудь из них поддерживать жизнь? Частично это зависит от температуры воды, которая сильно влияет на химический состав.
Вероятно, в ближайшие годы мы посетим Европу и сами узнаем, насколько теплый ее океан. Остальные из списка мы, возможно, никогда не посетим. Но, возможно, нам и не придется этого делать.
Исследователи из Корнельского университета выясняют, как определить температуру ледяного мирового океана, измеряя толщину его ледяного панциря и связанные с ним свойства. Они опубликовали свои результаты в исследовательской статье в журнале JGR Planets. Она называется «Взаимодействие льда и океана на топографию ледяных оболочек океанических миров», а ведущим автором является Джастин Лоуренс, приглашенный ученый из Корнеллского центра астрофизики и планетологии. Лоуренс также является руководителем программы в Honeybee Robotics, дочерней компании Blue Origin, которая занимается разработкой технологий для исследования космоса.
Их исследование основано на так называемом перекачивании льда — явлении, наблюдаемом подо льдом Антарктиды.
«Когда лед погружен в воду, процесс обмена таянием и замерзанием, называемый «ледяным насосом», может повлиять на состав, текстуру и толщину льда», — пишут исследователи. «Мы обнаружили, что перекачивание льда, вероятно, происходит под ледяными панцирями нескольких океанских миров в нашей солнечной системе».
Откачку льда чаще называют термохалинной откачкой льда, где термо означает тепло, а халин означает, по сути, то же самое, что и солевой раствор: соленый. Но если соленая вода относится к пресной воде, то соленая относится к океанской воде.
На Земле крупномасштабная откачка термохалинного льда доставляет нагретую воду в северные и южные полярные регионы. В меньшем масштабе влияет на то, сколько льда образуется на нижней стороне ледникового щита, поскольку лед образуется из воды, не содержащей соли или очень мало соли. Итак, соль из льдообразующей воды концентрируется в воде подо льдом. Поскольку эта концентрированная соленая вода находится так близко ко льду, вода подо льдом одновременно более соленая и холодная, потому что она близка ко льду. Вот почему используется термин термохалин.
Шельфовая вода высокой солености (HSSW), образующаяся подо льдом, плотнее окружающей воды и тонет. Когда он тонет, температура там становится выше точки замерзания, поскольку давление воды понижает точку замерзания. Итак, теперь HSSW теплее и вызывает таяние нижней части шельфового ледника. Затем HSSW смешивается с талой водой с более низкой соленостью, образуя более холодную плавучую шельфовую воду (ISF). ISF поднимается вверх и образует мягкий лед, называемый ледяным налетом, на нижней стороне шельфового ледника. Этот процесс может привести к образованию слоев льда толщиной в сотни метров.
Критическая часть — это место взаимодействия океана и льда. Исследователи говорят, что если они смогут определить толщину льда, они смогут контролировать температуру воды издалека. В пресс-релизе, в котором представлены результаты, это называется «проведением океанографии из космоса».
«Везде, где есть такая динамика, можно ожидать, что будет качаться лед», — сказал Лоуренс. «Вы можете предсказать, что происходит на границе льда и океана, основываясь на топографии: где лед толстый или тонкий, а где он замерзает или тает».
Существует неопределенность в отношении того, какие тела Солнечной системы имеют перекачку льда и насколько близко перекачивание льда на Земле похоже на перекачку льда на других телах. Например, если ледяной панцирь Европы толще примерно 35 км (22 миль) и имеет низкое содержание соли, то откачка льда может отсутствовать. «Однако большинство прогнозов толщины ледяного панциря Европы предполагают, что граница раздела находится в морском режиме, так что шельфовые ледники Земли могут служить системными аналогами для информирования о взаимодействии европейского льда и океана», — пишут авторы в своем исследовании.
По мнению авторов, выкачивание льда возможно на Ганимеде и Титане, если соленость океана не слишком низкая. С другой стороны, на Энцеладе почти наверняка есть ледяная накачка. Но ожидается, что накачка льда на Энцеладе будет слабее, а на Европе — намного сильнее.
К чему все это сводится?
«Если мы сможем измерить изменение толщины этих ледяных панцирей, то мы сможем определить температурные ограничения в океанах, чего на самом деле пока нет другого способа сделать, не пробурив их», — сказала Бритни Шмидт, доцент кафедры астрономии и астрономии. наук о Земле и атмосфере в Колледже искусств и наук и Инженерном университете Корнелла. «Это дает нам еще один инструмент для того, чтобы попытаться выяснить, как работают эти океаны. И большой вопрос в том, живут ли там существа или могут ли? — спрашивает Шмидт.
Сейчас мы можем ответить на этот вопрос только постепенно. Для этого нам нужно понять ледяной панцирь, температуру и то, как они связаны, чтобы добиться прогресса.
«Существует связь между формой ледяного панциря и температурой океана», — сказал Шмидт. «Это новый способ получить больше информации от измерений ледяного панциря, которую мы надеемся получить для Европы и других миров».
На данный момент оценки толщины ледяного панциря Европы варьируются от 10 до 30 км (от 6 до 20 миль). Для Энцелада оценки варьируются от 20 до 25 км (от 12 до 16 миль), хотя лед в районе южного полюса намного тоньше, всего от 1 до 5 км (от 1/2 до 3 миль).
Как ни странно, ледяные оболочки и лежащие под ними океаны ледяных миров Солнечной системы могут быть более похожи на Землю, чем на любые другие планеты или спутники. Взаимодействие между льдом и океаном на Европе очень похоже на то, что исследователи наблюдают под шельфовым ледником Росса в Антарктиде. В 2019 году Шмидт и другие исследователи наблюдали нижнюю часть шельфа с помощью робота Icefin и наблюдали перекачку льда.
Еще один фактор, играющий здесь роль, — гравитация. «Накачивание льда масштабируется под воздействием гравитации и поэтому может оказаться важным для динамики на границе раздела ледяной оболочки и океана в других столь же массивных океанских мирах, таких как Ганимед или Титан», — объясняют авторы. Это одна из причин того, что на Энцеладе, как ожидается, будет более слабая перекачка льда: его гравитация в десять раз слабее, чем на Европе.
Это исследование важно, потому что оно показывает, как перекачивание льда может происходить в различных океанских мирах Солнечной системы, и это имеет последствия для жизни.
«Мы показываем, что откачка льда может происходить в диапазоне солености океана и толщины льда, применимого к океанским мирам, и что откачка льда является важным процессом, связывающим динамику ледяного панциря, циркуляцию океана и топографию базального ледяного панциря», — пишут авторы. «Мы показываем, что взаимосвязь между взаимодействием льда и океана и топографией льда устанавливает связь между изменчивостью температуры океана и толщиной ледяного панциря, что потенциально делает возможным ограничение температуры океана в отсутствие наблюдений за океаном на месте».
Это большой шаг. Чем больше мы сможем узнать об этих мирах, не посещая их, тем лучше. Миссии к ледяным лунам Солнечной системы стоят дорого, хотя одна из них уже запланирована: НАСА Europa Clipper. Его запуск запланирован на конец этого года, и он должен прибыть к Юпитеру в 2030 году. Сочетание методов поможет Clipper более точно измерить толщину льда Европы.
«Описанные здесь концепции позволят ограничить тепловое состояние верхних слоев океана Европы толщиной ледяного панциря», — заключают авторы.
