Пермские ученые объяснили, почему на спутнике Сатурна бьют гейзеры, а на других — нет

Статья опубликована в сборнике «ПЕРМСКИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ НАУЧНЫЕ ЧТЕНИЯ».

Европа, Энцелад и Титан — ледяные спутники, вращающиеся вокруг Юпитера и Сатурна. По-другому их еще называют лунами, по имени нашего спутника — Луны, так как для нас он был первым и долгое время единственным известным примером такого небесного тела. Сегодня именно они являются главными претендентами на обнаружение внеземной жизни. Причина в том, что под их ледяной коркой скрываются подземные океаны — гигантские резервуары воды.

Она в них остается жидкой не благодаря солнечному теплу (до него слишком далеко), а из-за гравитации планет. Спутники движутся не по идеальным кругам, а по вытянутым орбитам, и когда они то приближаются к планете, то удаляются от нее, сила притяжения Юпитера или Сатурна постоянно деформирует их — буквально сжимает и растягивает внутренности ледяных лун. Это трение порождает тепло (как если быстро сгибать и разгибать проволоку — она нагревается в месте сгиба), и его становится достаточно, чтобы растопить лед изнутри. Эти океаны могут быть в десятки раз больше всех земных водоемов вместе взятых, и могут содержать химические элементы и источники тепла, необходимые для существования жизни.

Однако сравнительный анализ данных с космических аппаратов NASA «Галилео» и «Кассини» выявил интересную особенность. Несмотря на схожее внутреннее строение (каменное ядро, водная оболочка, ледяная кора), тепловое излучение спутников различается. Европа и Титан демонстрируют равномерный нагрев поверхности, тогда как Энцелад распределяет его неравномерно — с максимумом на южном полюсе.

В 2005 году «Кассини» обнаружил, что именно в этом районе Энцелада расположены знаменитые «тигровые полосы» — глубокие разломы во льду, из которых бьют гигантские гейзеры, выбрасывающие воду на сотни километров в открытый космос. За прошедшие годы аппарат не раз пролетал сквозь эти шлейфы, беря пробы воды. И ни на одном другом спутнике — ни на Европе, ни на Титане, ни где-либо еще — ничего подобного обнаружить не удалось. Энцелад остается единственным местом в Солнечной системе с доказанными активными гейзерами.

Но почему при одинаковом внутреннем устройстве два спутника излучают тепло одинаково по всей поверхности, а третий — только в одном месте? Долгое время наука не могла дать ответ. 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. Однако ни одна из этих версий не объясняла главного: почему тогда Европа и Титан, устроенные так же, как и Энцелад, но прогреваются равномерно и не имеют гейзеров.

Ученые Института механики сплошных сред УрО РАН (филиал ПФИЦ УрО РАН) и Пермского Политеха впервые предположили, что «однобокость» Энцелада возникает не из-за внешних причин, а сама собой — из-за того, как вода движется и переносит тепло внутри океана при проникающей конвекции. Они обратили внимание на уникальное свойство жидкости — ее аномальное расширение 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, — объяснил Вадим Шарифулин, научный сотрудник лаборатории вычислительной гидродинамики ИМСС УрО РАН, доцент кафедры прикладной физики Пермского Политеха, кандидат физико-математических наук.

Представьте аквариум, где снизу работает обогреватель, а сверху — кондиционер. Горячая вода поднимается вверх, но на полпути она остывает ровно до +4°С, становится тяжелой и снова падает вниз, так и не долетев до крышки. В итоге жидкость бесконечно крутится в средней части, не давая теплу спокойно уйти наружу. Именно эта «пробка» из тяжелой воды и может заставить океан Энцелада перегреваться с одной стороны.

Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи предложили пятислойную модель спутника. Они разделили его на пять частей: северный лед, северную часть океана, каменное ядро в центре, южную часть океана и южный лед. Одной из ключевых идей является постоянство суммарного теплового потока (сколько тепла выделяется в ядре, столько же должно уйти через поверхность).

Опираясь на опубликованные данные наблюдений космических аппаратов «Галилео» и «Кассини», ученые провели теоретический анализ теплопереноса и выдвинули гипотезу о механизме спонтанной асимметрии (когда равновесие нарушается даже от очень малого внешнего толчка).

— 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, — пояснила Татьяна Любимова, заведующая лабораторией вычислительной гидродинамики, ИМСС УрО РАН, доктор физико-математических наук.

В результате симметричное равновесие теряет устойчивость, и тепловой баланс между полушариями необратимо нарушается.

Из-за этого перегрева лед на южном полюсе тает быстрее, чем на северном. Ледяная корка становится тоньше, давление воды снизу прорывает ослабленные трещины — и океан выплескивается наружу. Так работают знаменитые гейзеры Энцелада.

Из имеющихся данных предполагается, что толщина неустойчиво стратифицированного слоя океанов Европы и Титана находится далеко от критического порога, поэтому тепловой поток остается симметричным. Их ледяные панцири остаются целыми, и океаны надежно запечатаны под толщей льда. Это полностью совпадает с тем, что видят телескопы и космические аппараты.

Исследование пермских ученых предлагает гидродинамический механизм, который объясняет природу «горячего» южного полюса Энцелада и одновременно отвечает на вопрос, почему на Европе и Титане тепловой поток симметричен. Данный подход не только объясняет асимметрию, но и дает основу для дальнейших численных и экспериментальных исследований. Полученные результаты могут быть использованы при планировании будущих космических миссий к спутникам Юпитера и Сатурна.