Март 2, 2008

Вид на Энцелад

Первые фотографии Энцелада были сделаны "Вояджером", и ученые увидели только белоснежную поверхность спутника. Тем не менее такое значение альбедо стало причиной появления теорий об особенностях строения Энцеланда. В 2005 приборы "Кассини" зарегистрировали необычные для такого маленького тела образования - гейзеры, состоящие из частиц водяного пара и кристаллов льда. Все гейзеры находились на южном полюсе Энцелада. Теперь задача исследователей состоит в том, чтобы найти причину столь неожиданных процессов.

Сперва, некоторые ученые высказали мысль о том, что гейзеры выбрасываются из-под ледяной толщи Энцелада, под которой залегает океан воды в жидком состоянии. И сразу же пошли споры о наличие жизни на этом маленьком спутнике Сатурна, точно так же как это происходит с Европой, луной Юпитера, а так же с Каллисто и Ганимедом, наличие океана на которых не исключено.

Но малые размеры и удаленность от Солнца заставили ученых пересмотреть сделанные поспешные выводы. Исследование возглавлял Ник Шнайдер (Nick Schneider) из Университета Колорадо в Боулдере, США (University of Colorado in Boulder, US), ставит под сомнение идею о том, что гейзеры происходят в в жидком океане воды. С помощью обсерватории "Keck Observatory" на Гавайях, исследователям не удалось обнаружить свет с характерной длиной волны, который должны испускать атомы натрия.

Гейзеры Энцелада

Натрия в значительном количестве содержится в Солнечной системе, и должен присутствовать в каменистых породах внутри Энцелада. Если же океане существует под поверхность Энцелада, то вода должна содержать много натрия, выщелачиваются из ядра спутника, говорят исследователи. Но поскольку в струях, бьющих из южного полюса спутника, не было обнаружено наличие следов натрия, ученые утверждают, что на Энцеладе не единого океана воды. И склоняются к выводу наличия одного большого резервуарах воды в ледяных слоях в районе южного полюса, моря.

a: Недифференциированная модель Энцелада, b: Дифференциируемая модель: море жидкой воды на южном полюсе Энцелада

Недавние подробные исследования южного полюса Энцелада аппаратом "Кассини", указали что спутник до сих пор активен и получает энергию из своих теплых недр. Подповерхностное таяние стало причиной образования внутреннего моря, расположенного в области южного полюса. Доказательство тому форма Энцелада, которая указывает, что спутник имеет дифференцируемое строение . В планетологии есть такое понятие - дифференциация: более плотное вещество смещается к центру планеты или спутника, а более легкое - к поверхности. Чем тяжелее объект, тем более вероятно, что его вещество прошло через такую "сортировку. При этом дифференциированные тела обычно имеют более сферическую форму, чем недифференциированные - из-за того, что основная доля массы сосредотачивается в центре, эффекты от вращения и приливов становятся менее заметными. Недифференциированная модель подходила лучше, но смущала довольно сильная степень сплюснутости и сильные аномалии: южный полярный радиус был на 0.4 км меньше ожидаемого, а на 50°ю.ш. уровень поверхности проходил на 0.4 км выше расчетного. Предполагается, что спутник имеет слои менее плотного (льда) и более плотного (скалистые породы) вещества и море из жидкой воды в южной полярной области. Таяние льда приводит к образованию "ямы" (Dc), что и придает Энцеладу сплюснутую с южной стороны форму. К тому же странность формы Энцелада, вызванная таянием подповерхностых слоев, приводит к гравитационной аномалии, в результате которой спин (ось) спутника могла переориентироваться в область теплого моря. Тем самым, необычный водоем оказался в районе южного полюса Энцелада.

Хотя теория океана на Энцеладе все же имеет своих сторонников. Каролина Порко (Carolyn Porcoб,Science Institute in Boulder, Colorado, US), изучив результаты Шнайдера не исключаю возможность того, что гейзеры соединяются с океаном. На поверхности Энелада так холодно, что любые натрий, возможно содержащийся в струях будет тут же конденсироваться в виде твердых частиц на поверхности или в трещинах, на подходе к поверхности. Это могло бы объяснить отсутствие у натрия в газообразном виде.

Источник тепла Энцелада: радиация или приливная энергия?

Если бы ядро Энцелада было нагрето только внутренними радиогенными источниками высокой температуры, то его выходная мощность была бы приблизительно 300 МВТ. По расчетам (Geoffrey C. Collins , Jason C. Goodman) можно сделать выводы, что тепла от радиации недостаточно для донного плавления льда, даже под толстым слоем льда, не учитывая неоднородность ледяной коры, покрывающей Энцелад. Если предположить толщину ледяного пласта 50-100 кг (что наиболее вероятно), температура у поверхности будет всего 10-30К. Наблюдаемый же мощность выброса у южного полюса Энцелада приближается к 3-7 ГВт, что в 10 раз больше, чем при радиоактивном источнике тепла. Предполагается, что Энцелад разогревает приливная энергия из-за резонанса с Дионой и эксцентричности орбиты:

Новое объяснение подразумевает наличие мощного источника радиоактивного излучения со сравнительно малым периодом полураспада. Излучение разогревает однородную смесь льда и минералов, которые опускаются вниз, а затем расплавляются, образуя жидкое ядро Энцелада. Разогрев происходит из-за распада изотопов железа-60 и алюминия-26, период полураспада которых составляет 700 тыс. лет.

Радиационный разогрев явился лишь толчком для дальнейшего формирования Энцелада. За миллиарды лет Энцелад остыл, но до сих пор в его ядре остались отдельные фрагменты расплавленных пород, а также и радиоизотопы. Действие этих факторов вместе с приливными явлениями обеспечивает нагрев внутренней части Энцелада и поддерживает активность гейзеров.

Высокая температура при формировании Энцелада объясняет наличие молекулярного азота, открытых космическим аппаратом NАSА "Кассини" в изверженном материале. Азот мог образоваться в результате каталитической реакции превращения аммиака.

Южный полюс Энцелада

Однако детальный механизм этой реакции остается неясным, и ученые NASA намерены разобраться в нем при следующем приближении аппарата "Кассини" к Энцеладу в марте 2008 года.

Расчеты показали, что при таких условиях вероятно образование подледного моря, которое будет простираться по высоте от ядра до уровня 4-10 км от поверхности, а по площади - примерно до 50°ю.ш. Вода занимает меньший объем, чем лед, и из-за этого радиус спутника над морем уменьшается на 2.3-3.3 км. Очень близкая к наблюдаемой форма Энцелада получается при плотности ядра 2.6 г/см3 и начальном радиусе спутника 252.6 км. Подледное море будет существовать стабильно, пока действует источник нагрева, а связанная с ним гравитационная аномалия должна привести к такой переориентации оси вращения спутника, чтобы море находилось в полярном районе.

Присутствие пропана и ацетилена в выбросах в области убедительно свидетельствуют о том, что вода на Энцелад находится в контакте с горячим силикатным окружением. Независимо от источника тепла, передача тепла от ядра к внешней ледяной оболочке Энцелада должно передаваться через теплопроводность, естественную конвекцию или плавление. На данный момент рассматриваются обе теории разогрева ядра Энцелада.

Какой один из этих процессов теплопередачи является доминирующим, зависит от толщины ледяной коры, и скорости, с которой тепло передается из глубины Энцелада. Расчеты показывают, что скорость передачи тепла больше при плавлении, чем при теплопроводном типе передаче тепла.

Трение льдов

Группа исследователей из Калифорнийского университета предложила новую гипотезу, основанную на механизме фрикционного трения в тектонических разломах, наблюдающихся в районе южного полюса спутника Сатурна. Согласно расчетам, тепловая энергия, необходимая для испарения водяного льда и образования гейзеров, может выделиться в процессе возвратно-поступательных движений ледяных блоков вдоль тигровых полос.

Трение людов и выход гейзеров

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.

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.

Новая гипотеза не требует существования резервуаров с водой на глубинах в несколько километров от поверхности, однако предполагает существование жидкого слоя в глубине, по которому плавают ледяные щиты, что сопровождается их трением друг о друга.

Период обращения Энцелада вокруг Сатурна составляет 1,37 суток. На дневной стороне спутника потенциал гравитационного поля Сатурна больше. Кроме того, он меняется вследствие эллиптичности орбиты. Согласно расчетам, приливные силы могут приводить к смещениям ледяных блоков Энцелада на 0,5 метра в течение одного оборота вокруг Сатурна.

Согласно расчетам группы исследователей из Годдардовского космического центра NASA, приливы могут приводить не только к трению льдов вдоль тигровох полос, но и к открытию и закрытию трещин. Таким образом, за половину 1,37-дневного орбитального цикла трещины "разъезжаются", как застежки-"молнии", и лед, превращаясь в водяной пар, извергается в виде гейзеров. Затем трещины смыкаются вновь.

Из выше сказано видно, что у ученых нет пока единой теории строения Энцелада и выбросов ледяных гейзеров из южного полюса спутника. Будем надеяться, что пролет "Кассини" на расстоянии около 100 км от поверхности прольет свет это загадочный белый спутник Сатурна .