ВОДА ВО ВСЕЛЕННОЙ (11)

по страницам книги Arnold Hanslmeier. Water in the Universe, Springer Science+Business Media B.V. 2011

3.4.2 ЛЬДЫ НА ДРУГИХ КАРЛИКОВЫХ ПЛАНЕТАХ

Карликовая планета 90377 Sedna была обнаружена в 2004 году, и ее диаметр оценивается примерно в 1800 км. Её орбита сильно эксцентрична: большая полуось 484 а.е., расстояние до перигелия составляет 76 а.е., расстояние до афелия 892 а.е. Она имеет красный цвет, похожий на цвет Марса. Это наблюдалось с помощью двух 8,2-метровых телескопов VLT ESO (Cerro Paranal, Чили). Из её спектра было выведено, что более 50% поверхности может быть покрыто льдом, и было подтверждено присутствие N2 и CH4. Один оборот Sedna занимает более 10 500 лет, но в течение примерно 200 лет, когда этот объект находится близко к Солнцу, может образоваться разреженная атмосфера N2 (Barucci и др. 2005).

ГЛАВА 4

СПУТНИКИ ПЛАНЕТ В СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЕ

Спутники гигантских планет представляют особый интерес для поиска воды и поэтому для астробиологии в целом. Обзор об эволюции ледяных спутников гигантских планет был дан Schubert и др., 2010 год.

4.1 ГАЛИЛЕЕВЫ СПУТНИКИ

Четыре крупнейших спутника Юпитера, Io, Europa, Ganymede и Callisto можно увидеть, используя бинокль. В 1609 году Galilei первым наблюдал за ними через телескоп. Из-за их орбитальных движений они появляются в экваториальной плоскости к востоку и западу от Юпитера. В ТАБЛИЦЕ 4.1 даны некоторые важные физические параметры Галилеевых спутников.

В Европе проводится исследование (HADES) для спутниковой миссии на Европу (орбитальный аппарат, спускаемый аппарат, криобот) (B?ttcher и др., 2009).

4.1.1 Io (ИО)

Это было большим сюрпризом, когда на Ио был обнаружен активный вулканизм на его поверхности (1979, Вояджер 1) (см. РИС. 4.1). На Земле источник тепла, который производит вулканическую активность, исходит из её недр, где радиоактивные материалы распадаются и излучают энергию, а также от тепла, оставшегося от её образования, тепла аккреции. Это, однако не может объяснить вулканизм на Io. Спутник слишком мал и должен был остыть. Единственный механизм для поддержания активного вулканизма на Io является приливное нагревание (см. также Moore, 2003).

Большая полуось орбиты Io составляет 421 800 км, поэтому он близок к Юпитеру и подвергается сильным приливным воздействиям. Один оборот вокруг Юпитера занимает всего 1 день 18 час 27 мин. Альбедо Io составляет 0,61, что является относительно высоким значением. Другие параметры приведены в ТАБЛИЦЕ 4.1. Период звездного вращения точно совпадает с периодом его вращения в результате приливного взаимодействия.

На поверхности Ио было обнаружено 400 действующих вулканов и более 150 гор. Есть вулканические плиты, которые распространяются до 500 км. Приливные силы Юпитера на Io в 6000 раз сильнее, чем у Луны на Землю. Кроме того для этих сил также есть приливные силы, вызванные двумя другими галилеевыми спутниками Europa и Ganymede (они сопоставимы с приливной силой Луны). Более того, сила эта варьируется, потому что орбита Io эллиптическая. Изменение приливных сил Юпитера из-за эллиптической орбиты Io в 1000 раз превышает приливные силы Луны.

На Земле, приливная сила вызывает деформации всей земной коры между 20 и 30 см. На Io деформации могут достигать до 300 м.

ВОДА НА IO

Как мы покажем позднее, существует несколько спектральных сигнатур для наличия льдов, состоящих из H2O и SO2. Диоксид серы, SO2 имеет температуру плавления -72,4 ° и температура кипения -10 °C. Это изогнутая полярная молекула. Из-за её противомикробного свойства используется в качестве консерванта для фруктов и служит также как антибиотик и антиоксидант, защищает вино от порчи от бактерий и окисления (также известен обозначением E220).

Вода вытекает из Io, что можно объяснить различными механизмами:

• Термический выход

• Фотолиз

• Взаимодействия заряженных частиц в газовой фазе

• Распыление заряженных частиц.

Pilcher, 1979 продемонстрировал, что это распыление заряженных частиц может быть эффективным механизмом для удаления водяного льда с поверхности Ио. Еще один важный механизм может быть испарением льда путем воздействия метеороида. Небольшое количества воды, может быть, все еще присутствует на поверхности Io. Спектры в ИК области 2,5-5,0 микрон показывают полосы, которые могут быть идентифицированы как SO2 льды, которые содержат около 3% H2S и 0,1% H2O (см. Salama и др., 1990). Они образуются путем конденсации на поверхности при температуре 100 К. С использованием данных из обсерватории Kuiper Airborne (Это была смотровая площадка, установленная на сильно модифицированном реактивном транспортном самолете C-141A для наблюдения в инфракрасном диапазоне на высоте до 14 км. С помощью этого прибора атмосфера Плутона была обнаружена в 1988 году) была обнаружена сильная полоса поглощения при 2,79 мкм, что также указывает на наличие льдов, состоящих из SO2 и H2O (Salama и др., 1994). Лабораторные спектры отражения SO2 инея и льда и тонкого инея H2O показывают, что наблюдаемая полоса 2,79 мкм также может быть объяснена присутствием только SO2-инея (Nash, 1994), так что есть некоторые противоречия в интерпретации спектральных сигнатур. Соотношение SO2 ко льду H2O было исследовано Dahmani и Khana 1996, и их вывод состоял в том, что H2O должно быть намного меньше, чем 1 часть в 105 (10 в степени 5) SO2.

Детали описанных выше спектров также говорят нам о том, что SO2 примерно на 30% более распространен на передней стороне Ио, чем на задней стороне, и что льды относительно хорошо кристаллизованы, т.е.- в форме кубиков льда.

4.1.2 ЕВРОПА

Europa имеет средний орбитальный радиус 671 079 км, а его орбитальный период составляет 3,55 дня. Радиус составляет 1560,8 км, и период вращения синхронен орбитальному периоду. Поверхность чрезвычайно гладкая, а альбедо составляет 0,64, потому что поверхность состоит из льда (РИС. 4.2). На поверхности наблюдается темные полосы по всему спутнику. Предполагается, что они образовались в результате серии извержений вулканической воды или гейзеров. Поскольку Европа приливно-отливно привязана к Юпитеру, должна была развиться определенная структура (РИС. 4.3). Однако кажется, что это справедливо только для самых молодых структур. Чем старше узоры, тем больше отличие от этого расположения. Это можно объяснить, если поверхность Европы вращается быстрее, чем его недра. Подповерхностный океан мог отделить движение ледяной корочки от этой скалистой мантии. Температура на поверхности Европы составляет 110 К. Но из-за приливного взаимодействия под поверхностью может быть жидкий слой. Внешняя корка сплошного льда считается толстой от 10 до 30 км. Основной океан может быть толщиной около 100 км.

Возможность того, что приливная диссипация в ледяной коре на Европе сохранила жидкий слой воды под ним, обсуждался Cassen, Reynolds и Peale, 1979. Дополнительные доказательства наличия жидкой воды под слоем льда получены в результате реструктуризации поверхности Европы. Некоторыми наблюдательными свидетельствами могут быть изолирующие слои инея, образовавшиеся в результате кипения воды между трещинами в поверхностной коре (см. Squyres, Reynolds и Cassen, 1983). Crawford и Stevenson, 1985 обсуждали

газовый водный вулканизм и всплытие на Европе. Такое явление можно объяснить, предположив относительно тонкую ледяную оболочку, которая подвергается упругому разрушению. В последующем извержении сначала преобладает газ, а затем менее продолжительное извержение пены (Crawford и Stevenson, 1988). Greenberg и др.,1999 исследовали формирование хаотического рельефа за счет протаивания снизу и тектонического рельефа (трещины, гребни и полосы), вызванные приливами, вероятно, были двумя доминирующими диахронными (Этот термин обозначает геологическую формацию, в которой, по-видимому, сходный материал варьируется по возрасту от места к месту) процессами всплытия на протяжении геологической истории Европы. Gaidos и Nimmo, 2000, также обнаружили, что некоторые особенности поверхности Европы образуются мягким льдом, который нагревается за счет вязкой диссипации приливного движения вдоль разломов.

Толщина ледяной оболочки все еще не понятна. Одним из методов оценки этого значения является наблюдение изменений вращения (либраций) Европы (ПРИМЕЧАНИЕ — Либрация — медленное колебание (действительное или кажущееся) спутника, наблюдаемое с поверхности тела, вокруг которого он вращается). Расчеты показывают, что присутствие океана увеличивает амплитуду либрации примерно на 10%, в зависимости, главным образом, от толщины ледяного панциря (Van Hoolst и др., 2008).

Можно ли наблюдать подземный океан Европы по измерениям, проведенным на его поверхности? Khurana и др., 2002 показали, как электромагнитные и сейсмические наблюдения, состоящие всего из двух наземных обсерваторий, включающих магнитометр и сейсмометр дают наилучшую надежду на однозначную характеристику трехмерной структуры океана и более глубоких недр этого спутника.

Sotin, Head и Tobie (2002,) показали, что вязкость льда на Европе в связи с приливным нагревом приведет к нагреву восходящих diapirs (В геологии ДИАПИРЫ обычно проникают вертикально вверх вдоль трещин или зон структурной слабости через более плотные вышележащие породы). (ПРИМЕЧАНИЕ - Диапир. [от греч. diapeir? – протыкаю, пронзаю, Mrazec L., 1915; diapir] – куполобразное геологич. тело, сложенное материалом пониженных плотности и вязкости относительно перекрывающих образований и поэтому из-за инверсии плотности гравитационно всплывшее на поверхность).

Это привело бы к разрушению приповерхностного материала и образованию линз и хаоса. Кроме того, относительно толстый ледяной покров в 20 км, покрывающий океан, может вызвать такие эффекты.

Свидетельства существования теплого подповерхностного океана исходят из форм хаотического рельефа и оценки возраста поверхности (Melosh и др., 2002). В контексте термин “warm” («теплый») означает, что большая часть океана находится при температуре максимальной плотности (Melosh и др., 2004).

С вероятным присутствием водных океанов относительно близко к его поверхности в сочетании с возможными источниками органики, возникновение и поддержание жизни на Европе кажется возможным, и на это указал Raulin, 2005. Goguen и др., 2006 изучали скорость разложения четырех аминокислот методом УФ-фотолиза в кристаллическом водяном льду миллиметровой толщины при T = 100 К. Из своих лабораторных экспериментов они пришли к выводу, что половина этих аминокислот в верхнем метре, часть льда низких широт на Европе будет разлагаться солнечным ультрафиолетом в течение 10 лет. За это разложение отвечают фотоны длиной волны от 160 до 300 нм.

Для объяснения поверхностных структур Европы криовулканизм играет важную роль. Криовулкан - это ледяной вулкан, извергающий летучие вещества, такие как вода, аммиак или метан. Криовулканы образуются на низкотемпературных объектах в солнечной системе, таких как ледяные луны.

Извержения на поверхности Европы могут быть похожи на базальтовое извержение на Земле: <100 м3 с-1м-1 поток длиной в десятки сотен км и турбулентным характером движения потока вблизи вентиляционного отверстия в несколько десятков метров термической эрозии в ближайших частях водных потоков (Wilson и Head, 1998). Наличие гидротермальных вентиляционных отверстий, аналогичных тем, которые установлены в океане на Земле, очень вероятно и это, возможно, привело к формированию примитивных форм жизни.

На рис. 4.4 приведено сравнение отражательной способности Amalthea, Thebe, Callisto и астероидов (получены с помощью 8,2 м Subaru Telescope). Thebe маленький спутник Юпитера (55 ? 45 км), Amalthea - один из внутренних спутников Юпитера (средний диаметр около 165 км). На этом рисунке ясно видна сигнатура воды. Amalthea излучает больше энергии, чем получает, возможно, он (спутник) нагревается электрическими токами в магнитосфере Юпитера.

4.1.3 КАЛЛИСТО

Второй по величине спутник Юпитера также может скрывать жидкий соленый океан под своей ледяной, покрытой кратерами корой. Это основано на обнаружении изменений магнитного поля Callisto (изменения в магнитном поле Европы также дали первый намек на жидкий океан).

Эти изменения можно объяснить, предположив, что различные электрические токи, связанные с Юпитером, протекают вблизи поверхности Каллисто (РИС. 4.5). Единственным источником, где такие течения могут существовать на Каллисто, является слой растаявшего льда под ним. Если бы такой слой жидкости был соленым, как океаны Земли, то электрические токи могли бы быть достаточно эффективными, чтобы создавать поле и его вариации. Одна из возможностей может заключаться в том, что вода содержит до 5% аммиака (см. Spohn и Schubert, 2003). Но есть одно различие между Callisto и Europa. Средний радиус орбиты составляет 1,88 ? 106 км (10 в степени 6). Таким образом, приливные силы из-за Юпитера намного меньше. Kuskov и Kronod, 2006 , утверждают, что Каллисто должен быть частично дифференцирован по внешнему льду, ледяная кора, водный океан, каменно-ледяная мантия и смесь каменно-железного ядра. Они оценили толщину ледяной корки в 135-150 км, а толщину подстилающего слоя воды - в 120-180 км.

***

(продолжение следует)