Плотная атмосфера Титана закрывает вид на его поверхность, создавая изображения, похожие на вид Титана в центре. Вместо этого астрономы используют инфракрасную технологию для создания визуальных приближений к ее внешнему виду. Авторы и права: НАСА/Лаборатория реактивного движения/Калифорнийский технологический институт/Институт космических наук/Нантский университет/Университет Аризоны.
Гора Везувий, Кракатау, гора Сент-Хеленс: с момента образования Земли примерно 4,5 миллиарда лет назад конвекция и выброс горячей магмы в ее мантийном слое, как известно, привели к одним из самых смертоносных извержений в истории. Но что, если те же взрывы произойдут, когда геологический объект и близлежащие химические соединения станут слишком холодными?
Подтверждение этого шокирующего явления стало центральной темой исследования аспиранта пятого курса Шаэлин Рапоса и недавней выпускницы НАУ Анны Энгл, опубликованного в прошлом месяце в Журнале геофизических исследований: Планеты.
Сосредоточившись на материалах, найденных на ледяных ледниках Плутона и озерах Титана, крупнейшего спутника Сатурна, исследователи первоначально намеревались изучить, как эти соединения, существующие на Земле в виде газов, ведут себя при температурах ниже нуля.
Однако их встретил сюрприз, когда холодные условия в Лаборатории астрофизических материалов Ветто привели к резким скачкам давления и небольшим взрывам, когда их химические смеси начали замерзать, событие, которое исследователи назвали «взрывом».
«Эти вспышки происходят при охлаждении смеси, подобно последствиям слишком длительного хранения газировки в морозильной камере», — сказал Рапоса. «Однако, когда дело доходит до геологических извержений, мы думаем о них как о результате нагревания чего-либо, например, вулканов. В обоих случаях изменение температуры вызывает изменение давления, что имеет смысл, но мы не Я не ожидал увидеть скачок давления после замерзания наших смесей».
Завершив исследование в 2023 году, Рапоса и Энгл приготовили смеси с различными уровнями азота, этана, окиси углерода или метана — всех соединений, обнаруженных в жидкой форме на Плутоне и Титане — и ввели их в ячейки для образцов из алюминиевого сплава. Затем эти ячейки охлаждались в гелиевом холодильнике и контролировались по температуре с помощью двух нихромовых нагревателей, повторяющих температуру -300° внешней Солнечной системы.
Используя спектроскопию, исследователи смогли затем подтвердить точные условия, которые привели к фазовым изменениям в каждой смеси соединений: от газообразных форм до твердого льда. Это исследование было редкой попыткой точно воспроизвести внеземные условия на Земле, ставшей возможной только благодаря уникальному лабораторному пространству НАУ.
Фото: НАСА/Лаборатория прикладной физики Университета Джонса Хопкинса/Юго-Западный научно-исследовательский институт.
«Отправлять физические миссии в такие места, как Плутон и Титан, для изучения поверхности дорого, поэтому приятно иметь возможность изучать, как эти материалы ведут себя в лабораторных условиях», — сказал Рапоса. «Однако есть трудности, потому что вам нужна лабораторная установка, подобная нашей, предназначенная для изучения смесей при низких температурах. Их не так много, и в результате предшествующих исследований по изучению поведения этих материалов было очень мало».
Когда смеси достигли точки замерзания или ниже, жидкость, оказавшаяся под затвердевающим льдом, начала лопаться и вздуваться, что представляет собой высвобождение скрытого тепла и скачок давления, который превосходил силу удерживающего твердого тела.
Эта реакция, возможно, может быть ответом на бесчисленные взрывные загадки, преследующие нашу Солнечную систему и за ее пределами, от ледяного или грязевого вулканизма на Марсе до острых впадин на поверхности Титана.
«При правильных условиях мы могли бы увидеть извержения, вызванные охлаждением как ледяных, так и скалистых миров», — сказал Рапоса. «Вспышки, подобные тем, которые мы видели в лаборатории, могут дать альтернативное объяснение кратерам от взрывов, обнаруженным в Сибири, и, возможно, гейзерам и шлейфам, обнаруженным на Европе, спутнике Юпитера, и Энцеладе, еще одном спутнике Сатурна».
Хотя магма и изнурительная жара, возможно, не являются важными факторами на других планетных телах, находящихся на расстоянии миллиардов миль, исследование Рапосы и Энгла гарантирует, что ученым не придется заморозить свои исследования.
Данные о том, как изменения температуры и давления влияют на соединения за пределами Земли, могут оказаться критически важными для создания точных моделей таких мест, как Плутон и Титан, что в конечном итоге приведет к большему количеству открытий, окружающих каждый астрономический объект.
Благодаря ценному пониманию термодинамики, полученному в этом исследовании, астрономы стали на один шаг ближе к тому, чтобы доставить грохочущих космических гигантов Солнечной системы в наши земные лаборатории.
Информация от: Университетом Северной Аризоны.
