Кубанский государственный технологический университет

Энцелад жует лед

19-06-2012
С ноября 2006 года каждая «тигровая полоса» на южном полюсе Энцелада носит свое имя. Сверху вниз: Александрия, Каир, Багдад, Дамаск. Фото из обсуждаемой статьи в Nature (V. 447. P. 292-294)

Американские планетологи выдвинули новую, подробно разработанную гипотезу о механизме работы водяных вулканов на спутнике Сатурна Энцеладе.

Прежние модели требовали слишком большой энергии и не объясняли, почему вулканическая активность наблюдается только на ограниченной части поверхности спутника.

Водяные вулканы на Энцеладе были обнаружены станцией «Кассини» в 2005 году. На снимках видны выбросы пара и ледяных кристаллов, поднимающиеся до высоты 500 км над поверхностью спутника (то есть на величину его диаметра). Частично это вещество падает обратно на поверхность Энцелада, за счет чего она становится белой, как свежевыпавший снег, а частично (самые мелкие частицы) идет на пополнение внешнего кольца E системы колец Сатурна. Первоначально из самого факта существования водяных вулканов сделали вывод о наличии под поверхностью Энцелада океана жидкой воды. Однако феномен извержения таким предположением не объяснить. Нужно еще найти источник энергии и указать причину локализации извержений лишь в одном районе — вблизи южного полюса спутника.

Южная полярная область Энцелада известна необычным элементом рельефа, который получил неформальное название «тигровых полос». Это протянувшиеся параллельно на расстоянии около 30 км друг от друга четыре разлома длиной около 130 км. Ширина каждой полосы 2 км, глубина — 500 м, высота стенок разломов над поверхностью планеты — 100 м. В ноябре 2006 года Американская геологическая служба (USGS) присвоила им собственные имена: Александрия, Каир, Багдад и Дамаск. С этими разломами и связаны наблюдавшиеся на Энцеладе выбросы воды. Измерения показывают, что в этом районе температура повышена по сравнению c остальной поверхностью спутника (которая составляет примерно –200°C, или 73 кельвина) в среднем на 10, а местами — на 70 градусов. Однако до последнего времени не было предложено удовлетворительного объяснения механизма этих выбросов.

Из-за небольшой эллиптичности орбиты Энцелад, двигаясь вокруг Сатурна, оказывается то ближе, то дальше от него. Согласно второму закону Кеплера, чем ближе спутник к своей планете, тем с большей скоростью он вращается вокруг нее по орбите. При этом скорость вращения Энцелада вокруг своей оси постоянна. В результате наложения этих двух движений приливные силы, действующие на спутник, деформируют его поверхность то в одном, то в другом направлении. Амплитуда этих деформаций колеблется вокруг некой фиксированной точки (обозначена красным крестиком; розовый крестик — точка на противоположной стороне спутника). Рис. из статьи в Nature (V. 447. P. 276-277)

Большинство исследователей соглашались, что источником энергии для извержений служит приливный разогрев недр спутника. Как и у всех близких к планетам спутников, периоды обращения Энцелада вокруг своей оси и вокруг Сатурна совпадают. Спутник всегда повернут к планете одной стороной и имеет форму слегка вытянутую в этом направлении. Однако из-за небольшой эллиптичности орбиты (эксцентриситет 0,047) Энцелад, двигаясь вокруг Сатурна, испытывает колебания, аналогичные либрациям Луны: в перицентре его вращение отстает от орбитального движения, а в апоцентре, наоборот, опережает. Из-за этих либраций приливные силы, действующие на спутник, периодически меняются, что вызывает деформации. Их максимальная амплитуда оценивается примерно в 5 метров, а за счет трения при деформациях недра спутника разогреваются.

На этой схеме хорошо видно, как меняется температура (в кельвинах) вокруг трещины (модель). Температура поверхности Энцелада (при отсутствии внутреннего разогрева) составляет 75 кельвинов (минус 198°C). Обозначения: Fault — разлом, Shear zone — зона сдвига слоев, Brittle — хрупкие слои, Ductile — эластичные слои; Distance — расстояние (в км), Depth — глубина (в км). Рис. из обсуждаемой статьи в Nature (V. 447. P. 289-291)

Такой механизм обеспечивает разогрев спутника Юпитера Ио, благодаря чему на нем действует множество вулканов. Однако диаметр Энцелада (499 км) значительно меньше, чем у Ио, и выделяемой в нём энергии при равномерном распределении по всему объему не хватило бы поддержания извержений. В двух статьях, опубликованных в журнале Nature, изложена гипотеза, которая объясняет, как энергия приливных деформаций локализуется в области полярных разломов Энцелада.

Источником энергии извержений авторы по-прежнему считают нагрев из-за приливных деформаций, однако выделение этой энергии они связывают не с вязким трением в глубине спутника, а с сухим трением краев ледяных плит, составляющих кору Энцелада. По их расчетам, относительная амплитуда подвижек краев разлома за один оборот спутника вокруг Сатурна составляет около 50 см. Причем имеют место как движения, перпендикулярные к оси разлома, так и параллельные. Первые вызывают периодическое раскрытие и закрытие трещин, а вторые — взаимное трение их стенок, при котором происходит нагрев и сублимация льда. Жидкая вода, скорее всего, не образуется, так как для этого недостаточно температуры и давления, хотя полностью исключить ее появления на некоторых стадиях процесса всё же нельзя.

Чередование сжатия/натяжения в разломе за время орбитального цикла (модель). Рис. из обсуждаемой статьи в Nature (V. 447.P. 292-294)

Расчеты показывают, что достаточное энерговыделение получается при толщине ледяной коры не менее 5 км, а сам цикл активности ледяных вулканов чем-то напоминает движение зубов при пережевывании пищи. Примерно за четверть оборота до подхода Энцелада к перицентру орбиты разломы закрываются, при этом давление внутри них, вызванное приливными силами, может достигать одной атмосферы. Выбросы при этом, естественно, ослабевают. Затем, вблизи перицентра и после него изменение ориентации спутника относительно Сатурна вызывает продольный сдвиг стенок друг относительно друга. В этот момент энерговыделение за счет трения становится максимальным. Однако по оценкам авторов работы лишь 10% этой энергии идет на прогрев ледяных полей, остальное расходуется на сублимацию льда со стенок трещин. Образующийся пар просачивается наверх и большей частью конденсируется недалеко от поверхности, одновременно нагревая стенки трещин. Дальнейшее движение по орбите приводит к тому, что приливные силы, действующие перпендикулярно трещинам, меняют знак, разломы раскрываются, а недавно сконденсировавшиеся пары оказываются в открытом вакууме. В таких условиях осевший на подогретых стенках конденсат вновь начинает интенсивно испаряться, порождая наблюдаемые выбросы. За апоцентром разломы постепенно начинают закрываться, и цикл повторяется.

Важное достоинство и отличие новой модели от прежних состоит в том, что она не требует разогрева льда до точки плавления, чего трудно добиться при относительно низкой энергетике процессов на Энцеладе. Но в то же время интересно, что гипотеза трения ледяных плит вовсе не означает отказа от предполагаемого существования океана под поверхностью Энцелада. Только жидкая «смазка» делает плиты достаточно подвижными, чтобы обеспечить необходимую интенсивность их трения. Если бы ледяные поля лежали непосредственно на твердой каменной поверхности ядра спутника, их взаимные подвижки были бы незначительными. А при наличии жидких океанов значительная часть энергии приливных деформаций концентрируется в области разломов, а не рассеивается по всей поверхности спутника. Само же существование в недрах Энцелада жидкой воды вполне возможно, поскольку с глубиной растут как давление, так и температура. В частности, температура должна достигать примерно 0°C на глубине 25-30 км.

Если гипотеза верна, то в работе ледяных вулканов Энцелада должна наблюдаться цикличность, совпадающая с орбитальным периодом обращения спутника. Однако проверить это предсказание не так-то легко. В 2006 году станция «Кассини» лишь трижды наблюдала южную полярную область Энцелада — в январе, феврале и ноябре. При первом сближении спутник прошел одну восьмую орбиты после апоцентра и разломы находились в процессе закрытия. По оценкам авторов, открытыми они оставались на протяжении 46% совокупной длины, а полностью сомкнутыми — на 11%. Ноябрьские наблюдения застали спутник у самого апоцентра, и, по расчетам, трещины должны были пребывать в открытом состоянии на протяжении 82% свой длины. В согласии с моделью выбросы в этот момент наблюдались почти во всех точках разломов.

Февральская серия наблюдений пришлась на момент, когда Энцелад был на подходах к перицентру орбиты, и большая часть разломов должна была закрыться. Эти данные могли бы иметь большое значение для проверки модели, но, к сожалению, в тот раз станция находилась в неудачном положении относительно спутника, и выбросы были плохо видны. Восполнить этот пробел должна серия наблюдений, выполненная 24 апреля 2007 года. Однако пока агентство NASA не опубликовало полученные в этот день результаты.

Источники: 1) F. Nimmo, J. R. Spencer, R. T. Pappalardo, M. E. Mullen. Shear heating as the origin of the plumes and heat flux on Enceladus // Nature. 2007. V. 447. P. 289-291. 2) T. A. Hurford, P. Helfenstein, G. V. Hoppa, R. Greenberg, B. G. Bills. Eruptions arising from tidally controlled periodic openings of rifts on Enceladus // Nature. 2007. V. 447. P. 292-294.

Александр Сергеев

См. также: 1) Энцелад обладает «динамичной атмосферой», «Элементы», 03.08.2005. 2) На Энцеладе бьют фонтаны, «Элементы», 03.09.2005. 3) Энцелад — кандидат для поисков внеземной жизни, «Элементы», 07.09.2005.

‹‹  Ищите где лучше всего ? Тогда заходите на сайт ijevsk.lastdiplom.ru и оставляйте свой заказ онлайн. И специалисты свяжутся с вами и обговорят все важные моменты в работе.