Гейзеры на Европе и водяной пар над Церерой

Гейзеры на Европе и водяной пар над Церерой

Гейзеры на Европе и водяной пар над Церерой

Рис. 1. Европа. Виден ударный кратер Пуйл (Pwyll). Более темными выглядят области повышенной минерализации, что говорит о возможном контакте подледного океана с залежами льда на поверхности. Фото с сайта ru.wikipedia.org

Наблюдения на космическом телескопе «Хаббл» показывают, что подледный океан на спутнике Юпитера Европе может контактировать с поверхностью. Вблизи южного полюса Европы обнаружены выбросы водяного пара, усиливающиеся и ослабевающие в зависимости от ее положения на орбите. Они свидетельствуют о трещинах в ледяной коре, которые периодически открываются под действием приливных сил и позволяют воде испаряться и выходить наружу. Выбросы водяного пара обнаружены и на Церере, самом большом теле главного пояса астероидов, но там они, вероятно, связаны с сублимацией (испарением) поверхностного льда из-за солнечного нагрева.

Подледный океан жидкой воды на Европе

Когда первые межпланетные зонды достигли окрестностей Юпитера, они обнаружили, что поверхность одного из его спутников, Европы, напоминает потрескавшийся лед замерзших озер и морей Земли (рис. 2). Европа покрыта множеством пересекающихся темных полос, причем старые полосы часто пересекаются более молодыми и слегка разрываются в этих местах, будто бы вдоль новой полосы происходил параллельный сдвиг поверхности. На Европе почти отсутствуют ударные кратеры, что означает высокую изменчивость ее поверхности (чего и следует ожидать от льда). Ученые считают, что линии в основном образуются под действием приливных сил, вызванных притяжением Юпитера.

Гейзеры на Европе и водяной пар над Церерой

Рис. 2. Слева: полосы на Европе, справа: трещины во льду Байкала. Изображения с сайтов solarsystem.nasa.gov и gelio-nsk.livejournal.com

Но при приливных деформациях трещины должны располагаться и ориентироваться определенным образом. Однако совпадение наблюдается только у самых свежих полос, а более старые случайным образом отклоняются от предсказаний: чем старше, тем сильнее. Это означает, что поверхность Европы не связана механически с ядром и представляет собой ледяную кору поверх жидкого или очень пластичного слоя. Поддержание этого слоя в нагретом и жидком состоянии, как предполагается, достигается за счет приливного разогрева: при неравномерном орбитальном движении спутника приливные волны перемещаются по его поверхности и вызывают периодические деформации и нагрев из-за сил трения (например, именно приливный разогрев отвечает за вулканизм на другом спутнике Юпитера — Ио, самом геологически активном теле в Солнечной системе; см. также Tidal heating). Приливный разогрев может способствовать и вулканизму на дне океана.

Еще одно свидетельство в пользу существования подледного океана на Европе было получено путем измерения магнитного поля. Зонд «Галилео», исследовавший Юпитер и его спутники в 1990-х годах, обнаружил у Европы слабое магнитное поле (порядка 120 нТ, что в 500 раз меньше земного), которое меняется при движении Европы по орбите. Это можно объяснить тем, что вблизи ее поверхности есть электропроводный слой, в котором гораздо более сильное магнитное поле Юпитера генерирует токи, которые, в свою очередь, порождают собственное поле Европы. По оценкам авторов статьи, посвященной этому вопросу, проводящий слой на Европе залегает не глубже 200 км, а его электропроводность — не менее 0,02 См/м (сименсов на метр), то есть такая же, как у соленой воды: даже у самых пластичных форм льда или скальных пород при не очень высоких температурах и давлениях электропроводность значительно ниже.

Таким образом, всё указывает на то, что под ледяной корой Европы скрывается океан жидкой воды, и в нём, благодаря вулканизму на дне, есть все условия для существования жизни: вода, питательные вещества и источник энергии. Экосистемы дна (если они, конечно, есть) могут быть похожими на экосистемы черных курильщиков на Земле, в которых организмы используют растворенные в воде минералы и вулканическое тепло. Как исследовать этот океан более подробно? Нужно ли бурить ледяной слой, толщина которого, по разным данным, составляет от 3 до 30 км? Можно ли найти свежезамороженную воду из глубин океана вблизи темных полос Европы (в ней могут сохраниться органические примеси, которые еще не разрушены от воздействия космической радиации)? Контактирует ли океан с поверхностью непосредственно или свежий материал на поверхности — результат конвекции в нижнем, пластичном слое коры? (Нагретые области льда могут подниматься в пластичном слое за счет силы Архимеда и частично расплавляться с образованием изолированных неглубоких резервуаров — аналогов магматических плюмов.) В любом случае, исследование европеанского океана in situ предполагает сложные и дорогостоящие миссии. Но сделанное недавно открытие (см. ниже) позволяет надеяться, что исследование подледного океана Европы и даже доставка образцов вещества из него на Землю может оказаться намного легче.

Гейзеры на Европе

После открытия гейзеров на Энцеладе, спутнике Сатурна, ученые стали искать свидетельства похожей активности и на других телах, в первую очередь — на Европе, как на весьма вероятном обладателе подледного океана. Образование областей, подобных Коннемарскому хаосу (рис. 3, см. также Conamara Chaos), и растрескивание поверхности скорее всего должно сопровождаться контактом воды (или по крайней мере более теплого льда) с поверхностью и выбросами водяного пара. То есть наличие гейзеров стало бы одновременно подтверждением геологической активности коры и указанием на то, что материал океана Европы можно отыскать где-нибудь поближе к поверхности.

Гейзеры на Европе и водяной пар над Церерой

Рис. 3. Торосистая область Коннемарский хаос — крупнейший из пяти хаосов Европы, служащих доказательством существования подледного океана. Фото с сайта astronomycentral.co.uk

Группа ученых во главе с Иоахимом Зауром (Joachim Saur) из Кёльнского университета наблюдала Европу на космическом телескопе «Хаббл» в ультрафиолетовом диапазоне (см. электромагнитное излучение), в линиях эмиссии нейтрального атомарного кислорода (130,4 и 135,6 нм), а также атомарного водорода с длиной волны 121,6 нм — так называемой линии Лайман альфа. Предполагалось, что водяной пар в окрестностях Европы (если он там есть) будет расщепляться ультрафиолетовым излучением Солнца (см. фотодиссоциация) на водород и кислород, которые будут возбуждаться тем же излучением и давать избыточное свечение в этих линиях.

Лед тоже диссоциирует под действием излучения (особенно в отсутствие азота и углекислого газа, что как раз имеет место в атмосфере Европы), но он разлагается значительно медленнее, чем пар, а легкие атомы водорода быстро приобретают скорость выше второй космической для Европы и покидают ее область притяжения. Более тяжелые атомы кислорода движутся медленнее, они задерживаются около Европы, успевая рекомбинировать в молекулы O2 и образовать разреженную кислородную атмосферу Европы (давление 10–7 Па — в триллион раз меньше земного и всего в тысячу раз больше, чем в межпланетном пространстве). Так что в нормальных условиях водорода вблизи Европы быть не должно: для этого необходимо достаточное количество водяного пара, который производит атомы водорода гораздо эффективнее льда. Столько пара не может образоваться в результате сублимации льда, ведь температура на Европе слишком низка (–170°C на экваторе, –220°C на полюсах), и лед на ней не испаряется даже в вакууме. Значит, избыточное образование атомарного водорода и кислорода может быть объяснено только наличием гейзеров.

Наблюдения, произведенные в декабре 2012 года в линии свечения водорода, показали именно такую избыточную эмиссию, центр которой находился в южных полярных широтах вблизи 90 градусов западной долготы, а размер соответствовал двухсоткилометровому облаку пара с концентрацией воды в луче зрения 1,5·1020 молекул/м2 (рис. 4). Эти же области соответствовали усилению эмиссии в линиях кислорода, что подтверждает природу выброса: он состоит из водяного пара. Авторы обсуждаемой статьи не приводят суммарной массы воды в облаке, но исходя из его размеров (полусфера в 200 км) и силы тяжести на Европе можно оценить его массу в 10 т, а расход пара — в 10 кг/c.

Гейзеры на Европе и водяной пар над Церерой

Рис. 4. Изображения Европы: в видимом свете (верхний ряд) и в ультрафиолете, полученные на космическом телескопе Хаббл. В линии Lyman- (121,6 нм): суммарное испускание (второй сверху ряд), испускание после вычета отражения солнечного света от поверхности (средний ряд). В линиях кислорода: 130,4 нм (четвертый ряд) и 135,6 нм (пятый ряд). Левый столбец — октябрь 1999 года, средний — ноябрь 2012 года, правый — декабрь 2012 года. Наблюдения в декабре 2012 года проводились, когда Европа находилась дальше всего от Юпитера и трещины должны были быть открыты, остальные наблюдения — в других точках орбиты. Контуры обозначают соотношения сигнала к шуму. Изображения из обсуждаемой статьи в Science

«Приливный» механизм

Как показывают наблюдения, активность выбросов достигает максимума, когда Европа находится вблизи апоцентра, и уменьшается в перицентре, что свидетельствует о приливном механизме активации выбросов. Это согласуется с моделями воздействия приливных сил от Юпитера на ледяную кору Европы, трещины в ней должны открываться именно вблизи полюсов (что, кстати, наблюдается и на Энцеладе, спутнике Сатурна) и в самых далеких от Юпитера точках орбиты, а при приближении к нему они должны «закрываться».

Ученые отмечают большую скорость вырывающегося наружу материала — 700 м/c (рассчитанную по измерениям максимальной высоты выбросов и исходя из известного значения ускорения свободного падения на Европе — 1,3 м/с2). Это говорит об извержении из очень узких и глубоких трещин. Такие скорости слишком велики, и их трудно объяснить расширением при перепаде давления в трещинах от равновесного давления пара над водой или теплым льдом (десятки паскалей) до давления вблизи устья гейзера (оно на порядки больше среднего давления в облаке и не может быть ниже сотых долей паскаля, иначе получаются нереалистично большие площади отверстий: тысячи км2, если оно порядка 1 Па, и единицы км2, если оно порядка 1 мПа). Возможно, за разгон отвечают другие процессы, например выдавливание пара при периодическом захлопывании трещин, но это — предмет дальнейших исследований. Также все-таки не исключается полностью, что пар в трещинах не связан с океаном, а образуется, когда их стенки нагреваются при интенсивном трении друг о друга. Однако форма трещин и признаки геологической молодости поверхности указывают, что возможен и прямой контакт с океаном. А в действительности, вероятно, имеют место оба механизма.

Наличие на Европе гейзеров радикально облегчает доставку материала с Европы на Землю: не надо садиться на поверхность и взлетать с нее, затрачивая большое количество топлива. Достаточно только запустить орбитальный зонд, который пролетит через выбросы и заберет часть их материала в холодную ловушку (или аэрогелевую, как в аппарате «Стардаст»), и направить его обратно к Земле.

Церера: карликовая планета в поясе астероидов с ледяной корой

Еще один претендент на наличие воды — Церера, cамый крупный объект главного пояса астероидов. Как показывают последние исследования, многие объекты главного пояса астероидов являются не просто каменными глыбами или кусками металла, а могут иметь довольно сложное строение. Так, на орбите другого астероида этого пояса, Весты, с июля 2011-го по сентябрь 2012 года работал космический аппарат Dawn. Оказалось, что Веста, несмотря на свой небольшой размер (530 км), представляет собой дифференцированное тело с геологической историей и состоит из маленького железного ядра, каменной мантии и коры из застывшей лавы. А в первые несколько миллионов лет на Весте имел место интенсивный вулканизм, приводимый в действие распадом короткоживущих радиоактивных изотопов.

Гейзеры на Европе и водяной пар над Церерой

Рис. 5. Церера. Слева — изображение c космического телескопа «Хаббл». Справа — внутреннее строение: железокаменное ядро, мантия из водяного льда, кора из смеси льда с пылью. Изображения с сайта en.wikipedia.org

Диаметр Цереры почти 1000 км, что сравнимо с размером средних спутников Сатурна; это дает основание предположить, что ее строение также дифференцировано. Самое интересное, что низкая плотность Цереры и наличие на ее поверхности льда, карбонатов и сильно гидратированных минералов свидетельствуют в пользу наличия у нее слоя водяного льда толщиной в десятки километров (рис. 5), что делает ее похожей на Европу! Более того, механизмы нагрева Весты, определенно, могли иметь место и на Церере. Предполагается, что в первые несколько миллионов лет после формирования этих тел они сильно подогревались распадом радиоактивных элементов, в том числе и относительно котороткоживущих (например, алюминия-26 с периодом полураспада около 717 000 лет, которого поначалу было много в скальных породах; подробнее см. статью N. Moscowitz, E. Gaidos. Differentiation of Planetesimals and the Thermal Consequences of Melt Migration). Вероятно, в начале истории этого небесного тела его недра были расплавлены, а значит, и часть воды на нем находилась в жидком состоянии. Космический аппарат Dawn прибудет к Церере только в 2015 году, а пока ученые регулярно наблюдают ее в наземные и космические телескопы.

Гейзеры Цереры: «кометный» механизм

Ученые из Южной европейской обсерватории исследовали Цереру с помощью инфракрасного космического телескопа «Гершель». В отличие от Европы, эти наблюдения проводились в дальнем инфракрасном диапазоне, в области спектра вблизи 538,3 мкм (то есть в тысячу раз длиннее волн видимого света), где находится одна из линий поглощения и испускания нейтральных молекул воды. Поскольку предельное разрешение телескопа обратно пропорционально длине волны, в этих наблюдениях диск Цереры не был различим (хотя апертура телескопа в полтора раза больше, чем у «Хаббла»). Несмотря на это, приблизительное расположение места выбросов было установлено с помощью измерения допплеровского сдвига наблюдаемой спектральной линии, который вызван вращением Цереры вокруг своей оси (рис. 6). Оказалось, что выбросы локализуются в самых темных участках диска Цереры. Таким образом, образование водяного пара, вероятно, связано с солнечным нагревом.

Гейзеры на Европе и водяной пар над Церерой

Рис. 6. Зависимость допплеровского сдвига линии воды на длине волны 538,3 мкм (по вертикали) от фазы вращения Цереры (по горизонтали) и соотнесение максимумов с деталями поверхности. Точки с красными интервалами (неопределенностями) — экспериментальные данные, синяя линия — гладкая аппроксимация; скорость выбросов достигает ~400 м/c. Карта поверхности имеет наилучшее доступное на данный момент качество, так как у Цереры очень малый видимый диск. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Скорости выбросов достигают сотен метров в секунду, что, как и на Европе, означает выброс пара через узкие и длинные отверстия. Похоже, что на Церере имеет место «кометный» механизм выбросов, когда пар скапливается под поверхностью и вырывается через трещины в ней. Церера расположена гораздо ближе к Солнцу, чем Европа, и ее поверхность гораздо темнее, так что она может нагреваться выше –50°C. При этой температуре водяной лед может заметно испаряться в условиях космического вакуума.

Авторы статьи привели оценки скорости испарения: 6 кг в секунду (сначала рассчитали общее количесто пара по интенсивности линий, потом разделили его на среднее время, которое проходит от момента выброса до выпадения на поверхность или ухода в космическое пространство, и получили необходимый для восполнения расход материала). Если принять, что вся поглощаемая поверхностью энергия от Солнца идет на сублимацию, то эффективная площадь сублимации получается равной всего 0,6 км2 (0,0000001 от всей площади поверхности Цереры). В реальности, конечно, далеко не весь солнечный свет расходуется на сублимацию, и эффективная площадь на два или три порядка больше, но всё равно составляет малую долю поверхности Цереры. Лед может испаряться как со свежих метеоритных кратеров, пробивших внешний слой пыли, так и из-под пылевого слоя. Совпадение источников водяного пара с наиболее темными участками поверхности Цереры и высокая скорость выбросов, видимо, свидетельствуют в пользу второго варианта, но в реальности может иметь место комбинация механизмов. Нельзя списывать со счетов и криовулканизм. В отличие от спутников газовых гигантов, Церера не может нагреваться из-за приливов, но, по некоторым моделям, долгоживущие и медленно распадающиеся изотопы в ее ядре могут поддерживать в нижних слоях коры достаточную температуру для образования пластичного льда и начала конвекции в нем или даже для частичного плавления. Без источников нагрева температура ледяной коры Цереры уже давно опустилась бы до средней температуры ее поверхности — до 105°C. Но если во льду есть значительная примесь аммиака, он может начать плавиться всего при 80°C, и требуемая степень разогрева не так уж велика. Понять, какой механизм образования водяного пара действует на Церере, помогут дальнейшие наблюдения: сублимация под действием солнечного нагрева должна варьироваться с изменением сезонов, а криовулканизм от них не зависит.

Таким образом, Церера перестала быть просто самым большим астероидом — теперь это карликовая планета с некоторыми чертами самой большой кометы Солнечной системы, и со слоем льда, под которым в прошлом, вероятно, скрывался жидкий океан, и со следами взаимодействия воздействия воды и минералов на поверхности. Остался ли океан жидким до сих пор, откуда появился водяной пар в окрестностях Цереры, и, вероятно, многое другое мы узнаем совсем скоро, когда космический аппарат Dawn выйдет на ее орбиту в феврале 2015 года.

Иван Лавренов

Материалы представленные на данном ресурсе пробуют объяснить такие феномены как нло, и являющихся к людям призраков с научной точки зрения. Казалось бы, что объединяет призраков и нло (неопознанный летающий объект, англ. unidentified flying object UFO ) - "восприятие объекта или света, видимого в небе феномен, призрак, траектория, общая динамика и характер свечения которого не находит логического, общепринятого объяснения, является тайной не только для очевидцев, но и остаётся необъяснённым даже после пристального изучения всех доступных свидетельств специалистами. С эзотерической точки зрения конечно всё окутано мистикой и смотрится как абсурд. Эзотерика - это тайные, скрытые знания которые собирались и хранились у разных древних народов, в силу не развитости науки сложно было объяснить не связывая с мистикой. А сегодня мы уже можем порассуждать применяя ту или иную научную теорию над разными феноменами и выявить закономерности. Так, призраки и нло приходят, как принято считать из параллельного мира на самом деле это не так, всё в мире находится в нём же, уровень над уровнем. Находясь на уровне ниже, мы не сможет увидеть уровень выше нашего, как радиацию и другие излучения, на это есть научная теория называемая М-теория или теория суперструн. На xstyles вы также сможете посмотреть фото нло, видео призраков, 2012 год, конец света, фотографии круги на полях, поделится своей теорией или рассказом, начать развиваться духовно и ответить, что же такое непознанное! Журнал публикующий научные статьи, теории, необычные события в мире, а также реальные истории из жизни, вымышленные, мистические рассказы, приводящий факты, опровержения и доказательства в виде фото и видео материалов, паранормальных, аномальных явлений.
Публикации основаны на историях очевидцев или по рассказам близких, каждый посетитель может оставить свою историю поместив в соответствующий раздел (не ленитесь написать свою историю).
Журнал научной фантастики благодарит всех тех, кто поделился своими теориями, наблюдениями и просто красивыми историями!
Вы можете оставить комментарий.


Оставить комментарий

Вы должны войти, чтобы иметь возможность оставлять комментарии.