Wiadomości z Układu Słonecznego: gejzery na temat Europy i pary wodnej nad Ceres • Ivan Lavrenov • Wiadomości naukowe na temat "Elementów" • Astronomia

Wiadomości z Układu Słonecznego: gejzery w Europie i para wodna nad Ceres

Ryc. 1. Satelita Jowisza Europa. Widoczny jest krater uderzeniowy Puil (Pwyll). Obszary o zwiększonej mineralizacji wyglądają na ciemniejsze, co wskazuje na możliwy kontakt oceanu pod lodem z pokładami lodu na powierzchni. Zdjęcie z ru.wikipedia.org

Obserwacje na Kosmicznym Teleskopie Hubble'a pokazują, że ocean podlodowy na satelicie Jowisza w Europie może wejść w kontakt z powierzchnią. Para wodna została wykryta w pobliżu bieguna południowego Europy, nasilając się lub osłabiając, w zależności od jej położenia na orbicie. Wskazują pęknięcia w skorupie lodowej, które okresowo otwierają się pod działaniem sił pływowych i pozwalają wodzie wyparować i zgasnąć. Emisje pary wodnej wykryto również w Ceres, największym ciele głównego pasa planetoid, ale tam prawdopodobnie są one związane z sublimacją (parowaniem) lodu powierzchniowego z powodu ogrzewania słonecznego.

Lodowa oceanu ciekła woda w Europa

Kiedy pierwsze sondy międzyplanetarne dotarły do ​​okolic Jowisza, odkryły, że powierzchnia jednego z jego satelitów, Europy, przypominała pęknięty lód zamarzniętych jezior i mórz Ziemi (ryc. 2). Europa jest pokryta wieloma przecinającymi się ciemnymi paskami,co więcej, stare pasma często krzyżują się z młodszymi i lekko łamią się w tych miejscach, tak jakby równoległe przesunięcie powierzchni nastąpiło wzdłuż nowego paska. W Europie prawie nie występują kratery uderzeniowe, co oznacza dużą zmienność jego powierzchni (czego można się spodziewać po lodzie). Naukowcy uważają, że linie powstają głównie pod działaniem sił pływowych wywołanych przyciąganiem Jowisza.

Ryc. 2 Po lewej: pasy ruchu w Europie, po prawej: pęknięcia w lodzie Bajkału. Obrazy z witryn solarsystem.nasa.gov i gelio-nsk.livejournal.com

Ale przy odkształceniach pływowych pęknięcia muszą być ustawione i zorientowane w określony sposób. Jednak tylko najświeższe pasma są zbieżne, a starsze losowo odbiegają od przewidywań: im starszy, tym silniejszy. Oznacza to, że powierzchnia Europy nie jest mechanicznie połączona z rdzeniem i jest skorupą lodową nad warstwą cieczy lub bardzo plastycznej. Utrzymanie tej warstwy w stanie nagrzanym i płynnym ma być osiągnięte dzięki ogrzewaniu pływowemu: przy nierównomiernym ruchu orbitalnym satelity fale pływowe poruszają się wzdłuż jego powierzchni i powodują okresowe odkształcenia i nagrzewanie w wyniku tarcia (na przykład, ogrzewanie wulkaniczne jest odpowiedzialne za wulkanizm kolejny satelita Jowisza – Io,najbardziej geologicznie aktywne ciało w Układzie Słonecznym; patrz również ogrzewanie pływowe). Ogrzewanie przypływowe może również przyczynić się do wulkanizmu na dnie oceanu.

Kolejny dowód na istnienie oceanu subglacjalnego w Europie uzyskano, mierząc pole magnetyczne. Sonda Galileo, która badała Jowisza i jego satelity w latach 90., odkryła słabe pole magnetyczne w Europie (około 120 nT, 500 razy mniejsze od ziemskiego), które zmienia się wraz z przemieszczaniem się Europy na orbicie. Można to wytłumaczyć faktem, że przy jego powierzchni znajduje się przewodząca elektrycznie warstwa, w której znacznie silniejsze pole magnetyczne Jowisza wytwarza prądy, które z kolei generują własne pole Europy. Według autorów artykułu poświęconego temu problemowi (patrz: C. Zimmer i wsp., 2000. Podpowierzchniowe oceany na Europie i Kallisto: ograniczenia obserwacyjnych obserwacji magnetometru Galileo), warstwa przewodząca w Europie leży nie głębiej niż 200 km, a jej przewodność elektryczna nie jest mniej niż 0,02 Cm / m (siemeny na metr), czyli tyle samo, co wody słonej. Nawet w najbardziej plastycznych formach lodu lub skały, przy niezbyt wysokich temperaturach i ciśnieniach przewodnictwo elektryczne jest znacznie niższe.

Wszystko wskazuje więc na to, że pod lodową skorupą Europy leży ocean ciekłej wody, a w nim, dzięki wulkanizmowi na dnie, istnieją wszelkie warunki egzystencji życia: woda, składniki odżywcze i źródło energii.Dolne ekosystemy (jeśli istnieją, oczywiście) mogą być podobne do ekosystemów czarnych palaczy na Ziemi, w których organizmy wykorzystują minerały rozpuszczone w wodzie i wulkanicznym cieple. Jak bardziej szczegółowo zbadać ten ocean? Czy konieczne jest wywiercenie warstwy lodowej, której grubość, według różnych źródeł, wynosi od 3 do 30 km? Czy można znaleźć świeżą wodę mrożoną z głębin oceanu w pobliżu ciemnych pasów Europy (może pozostać w niej materia organiczna, która nie została jeszcze zniszczona przez efekty promieniowania kosmicznego)? Czy ocean styka się bezpośrednio z powierzchnią lub czy świeży materiał na powierzchni jest wynikiem konwekcji w dolnej, plastikowej warstwie skorupy? (Ogrzane obszary lodu mogą unieść się w warstwie plastiku z powodu siły Archimedesa i częściowo stopić się, tworząc odizolowane płytkie zbiorniki – analogi piór magmowych.) W każdym razie badanie nad Oceanem Europejskim in situ obejmuje złożone i kosztowne misje. Jednak ostatnie odkrycie (patrz niżej) pozwala nam mieć nadzieję, że badanie zarośniętego oceanu Europy, a nawet dostarczenie próbek materii z niego na Ziemię może okazać się znacznie łatwiejsze.

Gejzery w Europie

Po odkryciu gejzerów na Enceladusie, satelicie Saturna, naukowcy zaczęli poszukiwać dowodów na podobną aktywność na innych ciałach, głównie w Europie, jako bardzo prawdopodobnego właściciela oceanu podlodowego. Powstawaniu takich obszarów, jak chaos Connemara (ryc. 3, patrz także Conamara Chaos) i pękaniu powierzchni, prawdopodobnie towarzyszy kontakt wody (lub przynajmniej cieplejszego lodu) z powierzchnią i emisją pary wodnej. Oznacza to, że obecność gejzerów potwierdziłaby jednocześnie geologiczną aktywność skorupy i wskazanie, że materiał oceanu Europy można znaleźć gdzieś bliżej powierzchni.

Ryc. 3 Obszar Torosta Konnemarsky chaos – największy z pięciu chaosu w Europie, służący jako dowód istnienia oceanu pod lodem. Zdjęcie z astronomycentral.co.uk

Grupa naukowców pod kierownictwem Joachima Saura z Uniwersytetu w Kolonii obserwowała Europę za pomocą Teleskopu Kosmicznego Hubble'a w zakresie ultrafioletu (patrz promieniowanie elektromagnetyczne), w liniach neutralnej emisji atomowej tlenu (130,4 i 135,6 nm) i atomowej wodór o długości fali 121,6 nm – tak zwana linia Lyman alfa.Założono, że para wodna w pobliżu Europy (jeśli tam jest) zostanie podzielona przez promieniowanie ultrafioletowe Słońca (patrz fotodysocjacja) na wodór i tlen, które będą wzbudzone tym samym promieniowaniem i nadadzą nadmierną luminescencję w tych liniach.

Lód również dysocjuje pod wpływem promieniowania (szczególnie w przypadku braku azotu i dwutlenku węgla, co jest dokładnie w przypadku Europy), ale rozkłada się znacznie wolniej niż para wodna, a lekkie atomy wodoru szybko osiągają prędkość wyższą niż druga przestrzeń dla Europy i opuszczają region atrakcja Cięższe atomy tlenu poruszają się wolniej, zatrzymują się w Europie, łącząc się z cząsteczkami O.2 i tworzą w Europie rzadką atmosferę tlenową (ciśnienie 10-7 Pa – trylion razy mniejszy niż ziemia i w sumie tysiąc razy więcej niż w przestrzeni międzyplanetarnej). Zatem w normalnych warunkach wodór nie powinien znajdować się w pobliżu Europy: wymaga to odpowiedniej ilości pary wodnej, która produkuje atomy wodoru znacznie wydajniej niż lód. Tak dużo pary wodnej nie może powstać w wyniku sublimacji lodu, ponieważ temperatura w Europie jest zbyt niska (-170 ° C na równiku, -220 ° C na biegunach), a lód na niej nie odparowuje nawet w próżni.Stąd też nadmierne tworzenie atomowego wodoru i tlenu można wytłumaczyć jedynie obecnością gejzerów.

Obserwacje wykonane w grudniu 2012 r. Na linii emisji wodoru wykazały taką właśnie nadwyżkę emisji, której środek znajdował się na południowych szerokościach polarnych w pobliżu 90 stopni długości zachodniej, a wielkość odpowiadała dwustu kilometrowemu chmurnowi pary o stężeniu wody w linii wzroku 1,5 · 10.20 cząsteczki / m2 (Ryc. 4). Te same obszary odpowiadały zwiększonej emisji w przewodach tlenowych, co potwierdza charakter emisji: składa się ona z pary wodnej. Autorzy omawianego artykułu nie podają całkowitej masy wody w chmurze, ale na podstawie jej wielkości (półkuli 200 km) i grawitacji w Europie jej masę można oszacować na 10 ton, a zużycie pary – na 10 kg / s.

Ryc. 4 Obrazy Europy: w świetle widzialnym (górny rząd) oraz w ultrafiolecie, uzyskanym w Kosmicznym Teleskopie Hubble'a. W linii Lyman-α (121,6 nm): całkowita emisja (drugi rząd od góry), emisja po odjęciu odbicia światła słonecznego od powierzchni (środkowy rząd). W liniach tlenu: 130,4 nm (czwarty rząd) i 135,6 nm (piąty rząd). Lewa kolumna – październik 1999 r., średnia – listopad 2012 r., dobrze – grudzień 2012 r. Obserwacje w grudniu 2012 r. Zostały zrobione, gdy Europa znajdowała się najdalej od Jowisza, a pęknięcia powinny zostać odkryte, a pozostałe obserwacje – w innych punktach orbity. Kontury oznacza stosunek sygnału do szumu. Obrazy z omawianego artykułu Nauka

Mechanizm pływowy

Obserwacje pokazują, że aktywność emisji osiąga maksimum, gdy Europa znajduje się w pobliżu apocentrum (najbardziej odległego punktu swojej orbity od Jowisza), a maleje w perycentrum, co wskazuje na mechanizm przypływowy aktywacji emisji. Jest to zgodne z modelami wpływu sił pływowych od Jowisza na lodową skorupę Europy, pęknięcia w nim powinny otwierać się tuż przy biegunach (które, nawiasem mówiąc, obserwuje się na Enceladusie, księżycu Saturna) oraz w najdalszych punktach orbity Jowisza. musi "zamknąć".

Naukowcy zwracają uwagę na dużą prędkość wydostawania się materiału na zewnątrz – 700 m / s (obliczono na podstawie pomiarów maksymalnej wysokości emisji i na podstawie znanej wartości przyspieszenia swobodnego spadania w Europie – 1,3 m / s2). Sugeruje to erupcję z bardzo wąskich i głębokich pęknięć.Takie prędkości są zbyt wysokie i trudno je wytłumaczyć rozszerzeniem, gdy ciśnienie spada w pęknięciach od ciśnienia pary w stanie równowagi nad wodą lub ciepłym lodem (dziesiątki paskali) do ciśnienia w pobliżu ujścia gejzeru (jest ono o rząd wielkości większe od średniego ciśnienia w chmurze i nie może być mniejsze niż jedna setna paskala) w przeciwnym razie uzyskuje się nierealistyczne, duże obszary otworów: tysiące kilometrów2jeśli jest rzędu 1 μPa i jednostek km2jeśli wynosi około 1 MPa). Możliwe, że inne procesy są odpowiedzialne za przetaktowanie, na przykład wytłaczanie pary podczas okresowego zapadania się pęknięć, ale jest to przedmiotem dalszych badań. Mimo to nie wyklucza się całkowicie, że para w pęknięciach nie jest połączona z oceanem, ale powstaje, gdy ich ściany są ogrzewane przez silne tarcie względem siebie. Jednak postać pęknięć i oznak geologicznej młodości na powierzchni wskazuje, że możliwy jest również bezpośredni kontakt z oceanem. W rzeczywistości oba mechanizmy prawdopodobnie wystąpią.

Obecność gejzerów w Europie radykalnie ułatwia dostarczanie materiałów z Europy na Ziemię: nie trzeba siedzieć na powierzchni i zdejmować z niej, zużywając duże ilości paliwa. Po prostu uruchom sondę orbitalną,który przelatuje przez emisje i bierze część swojego materiału do zimnej pułapki (lub aerożelu, tak jak w aparacie Gwiezdnego Pyłu) i wysyła ją z powrotem na Ziemię.

Ceres: planeta karłowata w pasie asteroid z lodową skorupą

Innym pretendentem do obecności wody jest Ceres, największy obiekt głównego pasa asteroid. Jak wykazały ostatnie badania, wiele obiektów głównego pasa asteroidów to nie tylko kamienne bloki lub kawałki metalu, ale mogą mieć raczej złożoną strukturę. Tak więc od lipca 2011 r. Do września 2012 r. Sonda kosmiczna Dawn pracowała na orbicie innej asteroidy tego pasa, Vesta. Okazało się, że Vesta, mimo niewielkich rozmiarów (530 km), jest zróżnicowanym ciałem z historią geologiczną i składa się z małego żelaznego rdzenia, kamiennego płaszcza i skorupy zamarzniętej lawy. W ciągu pierwszych kilku milionów lat na Zachodzie panował intensywny wulkanizm, napędzany rozpadem krótkotrwałych izotopów promieniotwórczych.

Ryc. 5 Ceres. Po lewej – obraz z Kosmicznego Teleskopu Hubble'a. Po prawej – struktura wewnętrzna: rdzeń z żelaza i kamienia, płaszcz z lodu wodnego, kora z mieszaniny lodu i pyłu. Obrazy z en.wikipedia.org

Średnica Ceres wynosi prawie 1000 km, co jest porównywalne z wielkością przeciętnych satelitów Saturna; to sugeruje, że jego struktura jest również zróżnicowana. Najciekawsze jest to, że niska gęstość Ceres i obecność lodu, węglanów i wysoce uwodnionych minerałów na jego powierzchni świadczą na korzyść obecności warstwy lodu wodnego o grubości dziesiątek kilometrów (ryc. 5), co sprawia, że ​​wygląda jak Europa! Co więcej, mechanizmy grzewcze Vesty mogły również wystąpić na Ceres. Zakłada się, że w ciągu pierwszych kilku milionów lat po utworzeniu tych ciał, były one silnie nagrzewane przez rozpad pierwiastków radioaktywnych, w tym względnie martwych (na przykład aluminium-26 o okresie półtrwania wynoszącym około 717 000 lat, który początkowo był duży w skałach, dla więcej, patrz artykuł N. Moskwaitz, E. Gaidos, Zróżnicowanie Planetesimali i termiczne skutki migracji w stopie). Prawdopodobnie na początku historii tego ciała niebieskiego, jego wnętrzności zostały stopione, co oznacza, że ​​część wody na nim była w stanie płynnym. Sonda kosmiczna Dawn dotrze do Ceres dopiero w 2015 r., Ale obecnie naukowcy regularnie obserwują ją w teleskopach naziemnych i kosmicznych.

Ceres Geysers: mechanizm "kometarny"

Naukowcy z Południowoeuropejskiego Obserwatorium zbadali Ceres za pomocą podczerwonego teleskopu podczerwonego Herschela. Inaczej niż w Europie obserwacje te wykonywano w zakresie dalekiej podczerwieni, w obszarze widma w pobliżu 538,3 μm (czyli tysiąc razy dłużej niż fale światła widzialnego), gdzie znajduje się jedna z linii absorpcji i emisji cząsteczek wody neutralnej. Ponieważ maksymalna rozdzielczość teleskopu jest odwrotnie proporcjonalna do długości fali, dysk Ceresa nie był rozróżnialny w tych obserwacjach (chociaż otwór teleskopu jest półtora raza większy niż teleskop Hubble'a). Mimo to, przybliżoną lokalizację miejsca emisji ustalono przez pomiar przesunięcia Dopplera obserwowanej linii spektralnej, co jest spowodowane obrotem Ceres wokół jego osi (ryc. 6). Okazało się, że emisje są zlokalizowane w najciemniejszych obszarach dysku Ceres. Tak więc, tworzenie pary wodnej, prawdopodobnie z powodu ogrzewania słonecznego.

Ryc. 6 Zależność przesunięcia Dopplera linii wody przy długości fali 538,3 μm (pionowo) z fazy rotacji Ceres (poziomo) i korelacja maksimów ze szczegółami powierzchni. Kropki z czerwonymi przerwami (niepewności) – dane eksperymentalne niebieska linia – płynne zbliżenie; poziom emisji osiąga ~ 400 m / s. Mapa powierzchni ma najlepszą dostępną obecnie jakość, ponieważ Ceres ma bardzo mały widoczny dysk. Obraz z artykułu w dyskusji Natura

Emisje osiągają setki metrów na sekundę, co podobnie jak w Europie oznacza uwalnianie pary przez wąskie i długie dziury. Wydaje się, że na Ceres znajduje się "kometarny" mechanizm emisji, gdy para gromadzi się pod powierzchnią i ucieka przez pęknięcia w niej. Ceres jest znacznie bliżej Słońca niż Europy, a jego powierzchnia jest znacznie ciemniejsza, więc może się nagrzać powyżej -50 ° C. W tej temperaturze lód wodny może parować zauważalnie w kosmicznych warunkach próżni.

Autorzy artykułu podali szacunki szybkości parowania: 6 kg na sekundę (najpierw całkowita ilość pary została obliczona zgodnie z intensywnością linii, następnie podzielona przez średni czas, który przechodzi od momentu emisji do opadającego na powierzchnię lub pozostającego w przestrzeni kosmicznej, i otrzymał materiał wymagany do uzupełnienia ). Jeśli przyjmiemy, że cała energia pochłonięta przez powierzchnię od Słońca przechodzi do sublimacji, wówczas efektywna powierzchnia sublimacji wynosi tylko 0,6 km.2 (0,0000001 z całej powierzchni Ceres). W rzeczywistości, oczywiście, nie całe światło słoneczne jest zużywane na sublimację, a efektywny obszar jest o dwa lub trzy rzędy wielkości większy, ale nadal stanowi niewielki ułamek powierzchni Ceres. Lód może odparowywać ze świeżego krateru meteorytowego, który przebił się przez zewnętrzną warstwę pyłu, a także spod warstwy pyłu. Koincydencja źródeł pary wodnej z najciemniejszymi obszarami powierzchni Ceres i wysoka emisja wydają się faworyzować drugą opcję, ale w rzeczywistości może zachodzić kombinacja mechanizmów. Nie można odpisać i kriowulkanizmu. W przeciwieństwie do satelitów gazowych, Ceres nie może rozgrzać się z powodu pływów, ale według niektórych modeli, długowieczne i powoli rozkładające się izotopy w swoim rdzeniu mogą utrzymywać wystarczającą temperaturę w dolnych warstwach skorupy, aby utworzyć plastikowy lód i zacząć konwekcję w nim, a nawet częściowe topienie. Bez źródeł ogrzewania temperatura lodowej skorupy Ceres dawno temu zostałaby obniżona do średniej temperatury jej powierzchni – do -105 ° C. Ale jeśli w lodzie znajduje się znaczna ilość amoniaku, może zacząć topnieć w temperaturze -80 ° C, a wymagany stopień ogrzewania nie jest zbyt duży.Dalsza obserwacja pomoże zrozumieć, jaki mechanizm powstawania pary wodnej działa na Ceres: sublimacja pod wpływem ogrzewania słonecznego powinna zmieniać się w zależności od pór roku, a kriowulkanizm nie jest od nich zależny.

W ten sposób Ceres przestała być po prostu największą asteroidą – teraz jest to planeta karłowata z pewnymi cechami największej komety Układu Słonecznego i warstwą lodu, pod którą prawdopodobnie w przeszłości ukrywał się płynny ocean, oraz ślady interakcji wody i minerałów na powierzchni . Czy ocean pozostał do tej pory płynny, skąd para wodna pojawiła się w okolicach Ceres, a prawdopodobnie wkrótce dowiemy się o wiele więcej, kiedy sonda kosmiczna Świtu wejdzie na swoją orbitę w lutym 2015 roku.

Źródła:
1) Lorentz Roth i in. Przejściowa para wodna na biegunie południowym Europy // Nauka. V. 343. P. 171.
2) Michael Küppers i in. Zlokalizowane źródła wody na planecie karłowatej (1) Ceres // Natura V. 505. P. 525.

Ivan Lavrenov


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: