Циркуляция термохалинного ледяного насоса под обобщенным шельфовым ледником. (1) Шельфовая вода высокой солености (HSSW) образуется при температуре замерзания поверхности (Tf = -1,9°C), когда рассол, выделяемый в результате роста морского льда, смешивается с толщей воды. (2) HSSW имеет плотность относительно окружающей морской воды, поэтому он тонет, и его часть циркулирует под шельфовым ледником в зону заземления, где теперь он теплый по сравнению с точкой замерзания, пониженной давлением (положительное тепловое движение), и способствует таянию. (3) Пресная талая вода, образующаяся при более холодной точке замерзания на месте, смешивается с HSSW, образуя более пресную, холодную и относительно плавучую воду шельфового ледника (ISW). (4) МУВ поднимается вверх, температура замерзания увеличивается, а тепловое воздействие соизмеримо уменьшается. При достаточном снижении давления происходит переохлаждение и образуется хрупкий лед, который может накапливаться в слоях морского льда толщиной в сотни метров у подножия шельфового ледника. Фото: Журнал геофизических исследований: Планеты (2024 г.). DOI: 10.1029/2023JE008036
За десятилетия до того, как какой-либо зонд окунет палец ноги и термометр в воды далеких океанских миров, астробиологи Корнелла разработали новый способ определения температуры океана на основе толщины их ледяных панцирей, эффективно проводя океанографию из космоса.
Имеющиеся данные, показывающие изменение толщины льда, уже позволяют сделать прогноз для верхних слоев океана Энцелада, спутника Сатурна, а запланированное миссией НАСА орбитальное исследование ледяного панциря Европы должно сделать то же самое для гораздо более крупного спутника Юпитера, подтверждая выводы миссии о том, является ли оно могло бы поддерживать жизнь.
Исследователи предполагают, что процесс, называемый «перекачкой льда», который они наблюдали под шельфовыми ледниками Антарктики, вероятно, формирует нижнюю часть ледяных панцирей Европы и Энцелада, но также должен происходить и на Ганимеде и Титане, больших спутниках Юпитера и Сатурна соответственно. .
Они показывают, что температурные диапазоны, в которых взаимодействуют лед и океан (важные регионы, где происходит обмен ингредиентами для жизни), можно рассчитать на основе наклона ледяного панциря и изменений температуры замерзания воды при различных давлениях и солености.
«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 науки. наук о Земле и атмосфере в Колледже искусств и наук и Инженерном университете Корнелла. «Это дает нам еще один инструмент, позволяющий попытаться выяснить, как работают эти океаны. И большой вопрос в том, живут ли там существа или могут ли они?»
Вместе с нынешними и бывшими членами своей Лаборатории планетарной обитаемости и технологий Шмидт, которая является членом научной группы НАСА Europa Clipper, является соавтором книги «Взаимодействие льда и океана на топографию ледяного панциря, влияющей на океанические миры», опубликованной в журнале. геофизических исследований: Планеты. Первый автор — Джастин Лоуренс, приглашенный научный сотрудник Корнеллского центра астрофизики и планетологии (A&S) и руководитель программы Honeybee Robotics.
В 2019 году с помощью дистанционно управляемого робота Icefin команда Шмидта, включая Лоуренса, наблюдала перекачивание льда внутри трещины под шельфовым ледником Росса в Антарктиде. Гладкий и облачный метеоритный лед у основания шельфа растаял, образовав более пресную, менее плотную воду, которая поднялась вверх по трещине и замерзла в виде грубого зеленого морского льда. Результаты были опубликованы в журналах Nature Geoscience и Science Advances, в статьях под руководством Лоуренса и Питера Уошэма, ученых-исследователей Департамента астрономии (A&S).
Этот процесс обусловлен тем фактом, что температура замерзания воды отрицательно зависит от давления: по мере увеличения глубины и давления вода должна становиться холоднее, чтобы расширяться и замерзать. Глубоко внизу, где давление выше, а точка замерзания ниже, океанские течения могут легче растопить лед. Если талая ледяная вода всплывает и поднимается вверх на меньшую глубину и при более низком давлении, она снова замерзнет. Цикл перераспределяет часть льда внутри шельфа или раковины, изменяя его состав и текстуру.
«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».
Исследователи нанесли на карту диапазоны потенциальной толщины оболочки, давления и солености для океанских миров с различной гравитацией и пришли к выводу, что откачка льда будет происходить в наиболее вероятных сценариях, хотя и не во всех. Они обнаружили, что взаимодействия льда и океана на Европе могут быть похожи на те, которые наблюдаются под шельфовым ледником Росса, что, по словам Лоуренса, является свидетельством того, что такие регионы могут быть одними из наиболее похожих на Землю на инопланетных мирах.
Зонд НАСА «Кассини» получил данные, достаточные для того, чтобы предсказать диапазон температур океана Энцелада на основе наклона его ледяного панциря от полюсов до экватора: от минус 1,095 градуса до минус 1,272 градуса по Цельсию. Знание температуры помогает понять, как тепло течет через океаны и как оно циркулирует, влияя на обитаемость.
Исследователи ожидают, что на Энцеладе, небольшой луне (шириной Аризоны) с впечатляющей топографией, откачка льда будет слабой, в то время как на более крупной Европе (размером почти с земную луну) она будет действовать быстро, сглаживая и выравнивая основание ледяного панциря.
Шмидт сказал, что работа демонстрирует, как исследования по изучению изменения климата на Земле могут также принести пользу планетарной науке, и именно поэтому НАСА поддержало разработку Icefin.
«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».
Информация от: Корнельским университетом
