8 Minutės
Nauji tyrimai rodo, kad kai kurie maži, lediniai palydovai — ilgą laiką laikyti geologiškai ramiais — gali turėti požeminius vandenynus, kurie periodiškai verda, kai jų ledo plutės suplonėja ir sumažėja slėgis. Tokie dramatiški požeminiai pokyčiai gali paaiškinti daugelį galvosūkį keliančių paviršiaus ypatybių, užfiksuotų ankstesnių zondų ir misijų metu.
How melting ice can lower pressure — and boil an ocean
Žemėje dauguma geologinių procesų kyla iš uolienos judėjimo ir lėto tektoninių plokščių poslinkio. Tačiau ant ledo palydovų dominuojantys veiksniai yra vanduo ir jo užšalusios būsenos. Daugeliui šių tolimų palydovų vidinę šilumą suteikia potvyninė šiluma (angl. tidal heating): planetos ir aplinkinių palydovų gravitacinės jėgos lenkia, lanksto ir sušildo jų vidinius sluoksnius. Kai potvyninis šildymas sustiprėja, ledo pluta gali suplonėti, nes pagrindinis tirpimas paverčia tankesnį kietąjį ledą į mažesnės tankio skystą vandenį. Kai šildymas sumažėja, pluta vėl sustorėja.
UC Davis Žemės ir planetų mokslų docentė Max Rudolph, naujo straipsnio Nature Astronomy pirmoji autorė, aiškina esminę idėją: «Mus domina procesai, formuojantys šių palydovų evoliuciją per milijonus metų, ir tai leidžia numatyti, koks būtų vandenyno pasaulio paviršinės raiškos efektas.» Tyrėjų komanda modeliuodama atsižvelgė į fazinius pokyčius ledo–vandenyno sistemoje ir tai, kaip jie keičia vidinį slėgį skirtingo dydžio palydovuose.
Mažuose palydovuose, tokiuose kaip Enceladas ir Mimas (abu skrieja aplink Saturną) arba Miranda (skriejanti aplink Urano sistemą), slėgis virš požeminio vandenyno gali nukristi tiek, kad pasiekiamas vandens trijų fazių taškas (triple point) — būsena, kurioje ledas, skystas vanduo ir garai egzistuoja kartu. Pasiekus šį slenkstį, vandenyno kišenės gali pradėti virti: formuojasi garai, vietiškai sutrūkinėja viršutinė pluta ir stumiami medžiagos srautai, kurie palieka išskirtines reljefo formas ant paviršiaus.
Šiuose procesuose svarbų vaidmenį atlieka keletas fizinių parametrų: temperatūra, slėgis, vandens ir ledo santykis, šilumos perdavimas per ledo sluoksnį, taip pat medžiagų tankio skirtumai. Iš dalies tai yra termodinaminė ir mechaniška sąveika, kurioje šilumos pridėjimas arba šalinimas keičia fazių pusiausvyrą, o tai savo ruožtu modifikuoja mechaninį apkrovimą ledo plutoje.
Praktikoje tai reiškia, kad potvyninė energija gali būti akumuliuojama ir atleista sinchroniškai su orbitaliniais variacijomis, kas sukuria epizodinius ciklus: plutos suplonėjimas ir vandenyno išplėtimas — slėgio kritimas — garų atsiskyrimas ir galimas medžiagos pašalinimas į paviršių arba į kosmosą. Ši dinamika paaiškina, kodėl kai kurios reliktinės paviršiaus savybės gali atrodyti jaunai atsinaujinusios, nors bendra palydovo išvaizda liktų senstelėjusi ir kruizuota krateriais.
Surface fingerprints: coronae, tiger stripes, and the Death Star
Virti galintys vandenynai nėra vien teorinė įdomybė — jie pateikia perspektyvius paaiškinimus konkrečioms paviršiaus struktūroms. Voyager 2 nuotraukose Mirandos paviršius išsiskiria keistomis koncentrinėmis keteromis ir skardžiais, vadinamais koronomis (coronae), — reljefais, kurie čia jau dešimtmečius kelia klausimų mokslininkams. Rudolph ir bendraautoriai siūlo, kad vandenyno virimas ir su tuo susiję slėgio svyravimai galėjo sukelti įtampas, kurios suformavo šias koronas.
Enceladas yra žinomas dėl vadinamųjų «tigrinių juostų» — šiltų, sutrūkinėjusių sričių netoli pietinio ašigalio, kurios išskiria garus ir ledo daleles į kosmosą. Ankstesni tos pačios grupės darbai parodė, kad ledo plutos sutirštėjimas gali padidinti slėgį ir sukelti skilimus. Naujausi modeliai papildo vaizdą, parodantys, kaip priešingas procesas — plutos suplonėjimas ir pagrindinis tirpimas — gali sukelti virimą, garų netekimą ir kitus požymius, aptinkamus Encelado plūduriniuose stulpuose ir jų chemijoje.
Mimas, garsėjantis didžiuliu krateriu, dėl kurio palydovas primena «Mirties žvaigždę», iš pirmo žvilgsnio atrodo geologiškai miręs. Visgi Cassini misijos stebėjimai rodo subtilų palydovo svyravimą (libraciją), suderinamą su vidiniu vandenynu. Rudolph pažymi, kad Mimas turi palyginti nedidelį spindulį, todėl jo ledo pluta gali suplonėti be katastrofiško sutrupėjimo, leisdama po paviršiumi išsilaikyti vandenynui — būsenai, kurioje virimas gali vykti viduje, tuo tarpu išorinis paviršius lieka stipriai supažeistas ir krateriuotas.
Tokie pavyzdžiai rodo, kad paviršiaus «pėdsakai» — nuo koronos iki tigrinių juostų — gali veiksmingai veikti kaip diagnostika, atskleidžianti vidinius procesus. Norint teigiamai sieti konkrečias struktūras su virimo epizodais, reikia sinchronizuoti modeliavimo rezultatus su stebimais reljefo matmenimis, cheminiais nuosėdų požymiais ir laiko mastu atitinkančiais įvykiais.
Size matters: why bigger moons crack before they boil
Tyrėjai nustatė, kad palydovo dydis yra lemiamas faktorius. Didesni ledo palydovai, pavyzdžiui, Urano Titanija ar kitokio masto kūnai, patiria kitokią mechaninę reakciją į bazinį tirpimą nei mažieji palydovai. Kai ledo sluoksnyje vyksta pagrindinis tirpimas, slėgis virš vandenyno krinta; tačiau didesniuose palydovuose toks slėgio sumažėjimas greičiau paskatins plutos įtrūkimus ir skilimus, o ne leis slėgiui nukristi iki trijų fazių taško.
Praktiniu požiūriu tai reiškia, kad didesni palydovai palengvina mechaninį atleidimą per plyšius — įtrūkimo mechanika sumažina lokalų slėgį anksčiau nei susidaro sąlygos verčiančiam garavimui. Tokiu atveju suplonėjimas, paskui vėl sustorėjimas, gali sukurti kitokį tektoninių ypatybių rinkinį: ilgesnius įtrūkimus, kalnų grandines ar deformuotus anklodus. Santraukoje: mažesni palydovai dažniau pasiekia vandenyno virimo sąlygas, o didesni palengvina įtampos atleidimą per trūkimus.
Svarbu pažymėti, kad tai nėra griežtas ribinis taisyklė: pelningumas priklauso nuo kelių kintamųjų, įskaitant ledo plutos storį, vandenyno gylius, vidinę šilumos generaciją, cheminį vandens sudėtį (pvz., druskų kiekį), ir orbitalines perturbacijas. Chemija šiuo atveju gali keisti garavimo temperatūrą ir slėgio sąlygas, o druskos sumažina užšalimo temperatūrą, kas daro sistemą sudėtingesnę ir kartais leidžia virti esant kitokiems fiziniams parametrais.
Mission context and future prospects
Šios įžvalgos remiasi fizinių modelių junginiu su duomenimis iš kosminių zondų, tokių kaip Cassini ir Voyager 2. Cassini detalių apklausos apie Saturno palydovus ir Voyager 2 skrydžiai šalia Urano ir jo palydovų suteikia empirinius duomenis, kurie riboja terminės ir mechaninės dinamikos modelius. Tokie matavimai, kaip paviršiaus reljefo nuotraukos, inerciniai poslinkiai, libracijos analizė bei cheminės spektrinės charakteristikos, leidžia susieti modelines prognozes su realiomis vietovėmis ir jų evoliucija.
Ateities misijos — ypač orbitinės stotys arba landeriai, kurie geba tirti gravitacijos laukus, paviršiaus sudėtį ir šilumos srautus — galėtų tiesiogiai patikrinti virimo vandenyne hipotezę. Konkretūs instrumentai, kurie būtų ypač vertingi:
- seismometrai, galintys fiksuoti vidines vibracijas ir uolieninės branduolio signalo charakteristikas;
- radiometrai ir infraraudonųjų spindulių spektrometrai paviršiaus šilumos anomalijoms aptikti;
- masių spektrometrai ir plūstelių analizatoriai, skirti garų kolonų cheminiam profilavimui (pvz., Encelado stulpai);
- tikslūs gravitacijos matuokliai ir lazeriniai altimetrai orbitose, leidžiantys nustatyti vidinių masių pasiskirstymą ir vandenynų buvimą;
- geofiziniai matavimai, įskaitant magnetometriją, kuri gali aptikti konduktorių buvimą (druskingų vandenynų atveju) ir suteikti užuominų apie vandenyno laidumą ir gylį.
Identifikuoti garų varomus nuosėdų struktūras, pakeistą paviršiaus cheminių komponentų pasiskirstymą arba neseniai vykusio atnaujinimo požymius būtų svarbūs įrodymai už epizodinio virimo. Instrumentai, kurie matuoja smulkias libracijas (svyravimus) arba gravitacines anomalijas, gali atskleisti šiandien egzistuojančius vandenynus — tai jau buvo užuomina Mimase ir patvirtinta Encelade.
Be to, ilgalaikės stebėsenos kampanijos, derinant teleskopinius stebėjimus su kosminių zondų duomenimis, leistų užfiksuoti epizodinius įvykius — trumpalaikes šilumos anomalijas ar išsiskyrimus — kurie yra pagrindiniai požymiai virimo procesams. Tokie stebėjimai gali tęstis per orbitalines misijas, kurios stebi palydovą per kelis orbitalinius ciklus, arba per atakos misijas, kai landeris įrašinėja duomenis kelias savaites ar mėnesius po nusileidimo.
Expert Insight
«Jeigu po ledo plutomis atsiranda virimo kišenės, jos galėtų periodiškai pernešti šilumą ir chemines medžiagas iš uolinio branduolio į paviršių,» sako Dr. Lena Torres, planetų geofizikė Jet Propulsion Laboratory. «Tai turi dvi svarbias pasekmes: tai formuoja reljefą, kurį stebime, ir tai keičia gyvybingumo potencialą, cikluodama maistines medžiagas ir energiją. Būsimų zondų, skirtų mažiems ledo palydovams, atradimai gali būti itin vertingi astrobiologijos požiūriu.»
Ši citata pabrėžia ryšį tarp vidinių procesų ir paviršiaus observacijų: virimo kišenės ne tik mechaniniu būdu veikia plutos struktūrą, bet ir gali leisti cheminėms medžiagoms bei šilumai pasiekti vietas, kur lengviau formuojasi sudėtingesni organiniai junginiai ar kur skirtingos temperatūros skatina cheminių reakcijų grandines.
Gilesnis tokių procesų supratimas pertvarko mūsų interpretaciją apie paviršinę geologiją už Saulės sistemos vidurinių ribų. Naujas tyrimas pateikia konceptualų rėmą, siejantį vidinę dinamiką su pastebimais paviršiaus bruožais — ir pabrėžia, kad net maži palydovai gali turėti komplexinius, galbūt su gyvybe susijusius procesus. Tai skatina pergalvoti prioritetus ateities misijų planavime ir pabrėžia mažų ledo palydovų svarbą planetų moksle, geologijoje ir astrobiologijoje.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą