Европа, Энцелад и Титан — ледяные спутники Юпитера и Сатурна с подземными океанами, разогретыми гравитацией планет. При схожем строении только Энцелад выбрасывает воду в космос через гейзеры на южном полюсе, тогда как остальные спутники остаются скрыты под льдом.
Долгое время причина этого различия была неясна: гипотезы о метеоритном ударе или форме орбиты не давали ответа. Ученые из Института механики сплошных сред УрО РАН и Пермского Политеха создали математическую модель, объясняющую феномен. Результаты опубликованы в сборнике «Пермские гидродинамические научные чтения».
Европа, Энцелад и Титан — ледяные спутники Юпитера и Сатурна (их также называют «лунами» по аналогии с нашей Луной). Они — главные кандидаты на обнаружение внеземной жизни: под их ледяной коркой скрываются гигантские подземные океаны.
Вода остается жидкой не из‑за солнечного тепла, а благодаря гравитации планет. Спутники движутся по вытянутым орбитам — их то приближает, то отдаляет от планеты. Сила притяжения деформирует тела спутников, вызывая внутреннее трение и нагрев (подобно нагреву проволоки при многократном сгибании). В результате лед тает изнутри, а океаны, которые могут быть в десятки раз больше всех земных водоемов, сохраняют жидкое состояние. Они способны содержать химические элементы и источники тепла для жизни.
Анализ данных с космических аппаратов NASA «Галилео» и «Кассини» показал различие в тепловом излучении спутников. При схожем строении (каменное ядро, водная оболочка, ледяная кора) Европа и Титан нагреваются равномерно, а Энцелад — неравномерно, с максимумом на южном полюсе.
В 2005 году аппарат «Кассини» обнаружил на Энцеладе «тигровые полосы» — глубокие разломы во льду на южном полюсе, из которых бьют гейзеры, выбрасывающие воду на сотни километров в космос. «Кассини» неоднократно пролетал сквозь эти шлейфы и брал пробы воды. Энцелад — единственный спутник в Солнечной системе с доказанными активными гейзерами: ни на Европе, ни на Титане, ни где‑либо еще подобного не нашли.
Почему при схожем внутреннем строении (каменное ядро, водная оболочка, ледяная кора) Европа и Титан прогреваются равномерно, а Энцелад выделяет тепло преимущественно на южном полюсе? Одни ученые предполагали, что дело в необычных свойствах льда на южном полюсе. Другие делали ставку на орбиту Энцелада вокруг Сатурна, что именно она создает такой перекос. Третьи объясняли асимметрию последствиями древних ударов метеоритов — возможно, когда-то столкновение проломило ледяную корку в южном полушарии, и теперь через это ослабленное место выходит больше тепла. Но ни одна версия не объясняла, почему Европа и Титан, устроенные аналогично, не имеют гейзеров и прогреваются равномерно.
Ученые Института механики сплошных сред УрО РАН (филиал ПФИЦ УрО РАН) и Пермского Политеха впервые предположили, что особенность Энцелада связана не с внешними причинами, а с внутренними процессами: движением и переносом тепла водой внутри океана при проникающей конвекции. Ключевую роль играет аномальное расширение жидкости при охлаждении.
Мы знаем, что лед легче воды. Но мало кто задумывается, что она достигает максимальной плотности не при 0°С, а при +4°С. Это значит, что в подледном океане одновременно существуют слои с разным весом, которые ведут себя по-разному. Возникает явление, которое называют «проникающей конвекцией»: теплая вода снизу стремится вверх, но, остывая, она проходит точку максимальной плотности (+4°С) и снова начинает тонуть. Возникает сложная многослойная циркуляция.
Представьте аквариум с обогревателем снизу и кондиционером сверху: горячая вода поднимается, но, остывая до +4°С, становится тяжелее и опускается, не доходя до верха. Из‑за такой циркуляции — «пробки» из тяжелой воды — океан Энцелада может перегреваться с одной стороны.
Чтобы проверить эту идею, ученые создали пятислойную модель спутника: северный лед, северная часть океана, каменное ядро в центре, южная часть океана и южный лед. Ключевой принцип — постоянство суммарного теплового потока: сколько тепла выделяется в ядре, столько должно уйти через поверхность.
Опираясь на данные аппаратов «Галилео» и «Кассини», исследователи проанализировали теплоперенос и выдвинули гипотезу о механизме спонтанной асимметрии: равновесие может нарушиться даже из‑за малейшего внешнего воздействия.
Мы проанализировали режимы проникающей конвекции и полагаем, что поведение теплопереноса критически зависит от относительной толщины неустойчиво стратифицированного слоя, то есть от того, какую часть океана занимает активно перемешивающаяся вода. Когда толщина этого слоя приближается к критическому значению около 61% от глубины всего океана, резко меняется чувствительность теплового потока к небольшим изменениям стратификации. Это может запустить положительную обратную связь между полушариями и привести к устойчивой асимметрии теплового потока.
Симметричное равновесие теряет устойчивость, и тепловой баланс между полушариями Энцелада необратимо нарушается. Из‑за перегрева лед на южном полюсе тает быстрее, чем на северном: ледяная корка истончается, давление воды снизу прорывает ослабленные трещины — так возникают знаменитые гейзеры.
У Европы и Титана, напротив, толщина неустойчиво стратифицированного слоя океана далека от критического порога — поэтому тепловой поток остаётся симметричным. Их ледяные панцири не разрушаются, и океаны надежно запечатаны под толщей льда. Это подтверждается наблюдениями телескопов и космических аппаратов.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что на трещинах на поверхности Европы обнаружены следы аммиака.
