Подповерхностные океаны ледяных спутников периодически могут закипать

Наше исследование дальних уголков Солнечной системы обнаружило множество ледяных лун, чьи поверхности хранят следы сложных геологических процессов. У отдельных из них, как у Энцелада, из-под покрова льда выбрасываются гейзеры, что свидетельствует о подлёдных резервуарах воды. Такая активность объясняется приливным нагревом: гравитационные возмущения вызывают деформацию и трение в недрах спутника, генерируя достаточно тепла для плавления внутренней части.

Однако стоит заметить: гравитационные взаимодействия между спутниками и их планетами не всегда постоянны. Орбиты тел могут изменяться в долгосрочной перспективе, проходя через циклы вариаций. Вследствие этого подлёдные океаны могут периодически формироваться и исчезать, то есть внутренние слои спутников попеременно тают и замерзают.

Новое исследование в Nature Astronomy рассматривает эффект разницы плотности воды и льда (около 10 %), который при таянии способен вызвать локальное снижение давления под ледяной коркой. Для небольших спутников это падение давления может привести к тому, что вода на границе лёд–океан начнёт кипеть

Деформация ледяной оболочки

Несмотря на кажущееся спокойствие, внешние планеты Солнечной системы в ранние эпохи пережили миграции, а Земля и сейчас подвержена циклам, сменяющим ледниковые периоды. У спутников газовых гигантов подобных взаимодействий ещё больше: множество тел разного размера сосуществует в одной системе.

Можно полагать, что подлёдные океаны образовались и сохраняются непрерывно благодаря постоянному приливному нагреву, но на деле эти процессы могут включаться и выключаться. В одних фазах спутник нагревается и тает, в других — остывает и замерзает.

Это не только влияет на внутренние слои, но и создаёт напряжения в ледяной оболочке. При застывании вода расширяется, давит на лёд и формирует трещины — такие эффекты хорошо изучены для Европы и Энцелада. Учёные же задали встречный вопрос: что происходит при таянии?

В их модели ледяная кора представлена как упругий покров на вязком льду; под ним — жидкий океан, а в центре — каменное ядро. По мере таяния расчёты показывали, как изменяются напряжения в коре, давление на границе лёд–вода и путь теплового потока.

Падение давления и кипение

Ледяная корка способна лишь до определённого предела прогибаться под сжатием внутренних слоёв. Когда океан увеличивается в объёме, между льдом и водой возникает зона пониженного давления. Для крупных спутников, таких как Европа, гравитация удерживает давление выше точки кипения воды, а сильные напряжения могут разрушать даже упругую оболочку.

У мелких же тел давление падает настолько, что вода закипает при температурах чуть выше 0 °C. При этом из подлёдного океана выделяются растворённые газы, образуя пузырьки на границе с коркой. «Кипение возможно на слабом гравитационном фоне малых спутников, поскольку им требуется меньшее давление для уравновешивания коры», — объясняют авторы.

По расчётам, три луны могут испытывать такую фазу: Энцелад (известен своими гейзерами), а также Мимас и Миранда. Для проявления эффекта необходимо лишь расплавить океан толщиной порядка 5–14 км.

Авторы подчёркивают, что дальнейшая эволюция пузырьков в подлёдном океане остаётся неясной. Возможно, газовые карманы будут расползаться по трещинам корки, аналогично тому, как магма прокладывает пути в земной коре.

Главный вопрос в том, какие следы на поверхности могут оставить такие процессы. Три небольшие спутника Сатурна и Урана слишком различны между собой, чтобы дать однозначный ответ. Вероятно, нам потребуются новые примеры из других систем, чтобы лучше понять, как кипение подо льдом меняет облик спутников.

Источник