Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
М. Кронгауз
«Русский язык на грани нервного срыва. 3D». Главы из книги


С. Мац
Искривленное зеркало


Л. Полищук
Почему вымерли мамонты и гибнут сайгаки: история о вкладах


В. Кузык
Нос на батарейках


Д. Мамонтов
Взглянуть инопланетянам в глаза


А. Бердников
Машинная точность


Р. Фишман
Великий уравнитель


С. Амстиславский, Д. Рагаева и др.
Эмбрионы и артериальная гипертензия


И. Акулич
Тайна чёрной пятницы


Д. Вибе
Охота за планетой X







Главная / Новости науки версия для печати

Новости из Солнечной cистемы: гейзеры на Европе и водяной пар над Церерой


Спутник Юпитера Европа

Рис. 1. Спутник Юпитера 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 или 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, как будто 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.

Слева: полосы на Европе, справа: трещины во льду Байкала

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 (см.: C. Zimmer et al., 2000. Subsurface Oceans on Europa and Callisto: Constraints from Galileo Magnetometer Observations), проводящий слой на Европе залегает не глубже 200 км, а его электропроводность составляет 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.

Торосистая область Коннемарский хаос на Европе

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) и 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 могло бы 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.

Изображения Европы в видимом свете и в ультрафиолете

Рис. 4. Изображения Европы: в видимом свете (верхний ряд) и в ультрафиолете, полученные на космическом телескопе «Хаббл». В линии Lyman-α (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 отношение сигнала к шуму. Изображения из обсуждаемой статьи в Science

«Приливный» механизм

Как показывают наблюдения, активность выбросов достигает максимума, когда Европа находится вблизи апоцентра (самой удаленной от Юпитера точки своей орбиты), 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 μПа, 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.

Церера: фото и схема внутреннего строения

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.

Зависимость допплеровского сдвига линии воды от фазы вращения Цереры

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.

Источники:
1) Lorentz Roth et al. Transient water vapor at Europa's south pole // Science. V. 343. P. 171.
2) Michael Küppers et al. Localized sources of water vapour on the dwarf planet (1) Ceres // Nature V. 505. P. 525.

Иван Лавренов


Комментарии (1)



Последние новости: АстрономияИван Лаврёнов

27.07
Рекордные по чувствительности эксперименты LUX и PandaX пока не поймали частицы темной материи
20.06
LIGO поймала новые всплески гравитационных волн
6.04
Обнаружен первый рентгеновский пульсар в галактике Андромеды
7.03
9 марта 2016 года — полное солнечное затмение
29.02
Метрика Карла Шварцшильда: предыстория, история и часть постистории
11.02
Гравитационные волны — открыты!
9.02
Сверхъяркие спиральные галактики — недостающее звено в теории эволюции
26.01
Джордж и его команда: к 70-летию горячей модели Вселенной
21.01
«На кончике пера» открыта трансплутоновая планета размером с Нептун
25.12
Сверхновая вспыхнула еще раз в назначенное время в назначенном месте

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Аркадий Курамшин, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Антон Морковин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Павел Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Александр Храмов, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия