Сатурн - Властелин Колец
Заходите к нам на форум: задавайте вопросы - получайте ответы!
Сатурн: Властелин Колец

Геологическая активность Энцелада

ЧАСТЬ II

    Более четверти века назад «Вояджер-2», следуя через систему Сатурна, прошел всего в 90 тыс. км от Энцелада, одного из спутников этой планеты. Тогда зонд передал на Землю снимки, над которыми затем многие годы ломали голову специалисты. Энцелад выглядел «белой вороной» даже среди таких разнообразных космических тел, как спутники Сатурна, На его снежно-белой ледяной поверхности обнаружились обширные области без единого кратера, что указывало на внутреннюю геологическую активность в прошлом.

    Парадокс возникает лишь в том случае, если предполагать, что нынешний приливный нагрев Энцелада равен его нынешнему тепловыделению. А что, если отдача тепла сейчас происходит за счет более раннего нагрева? Один из возможных сценариев впервые предложили для Ио в 1986 г. Грег Ойакангас (Greg Ojakangas) и Дэвид Стивенсон (David Stevenson) из Калифорнийского технологического института: орбита спутника и его внутреннее строение могут действовать друг против друга, вызывая циклические изменения эксцентриситета орбиты и выделения тепла.

Во время близкого пролета 9 марта 2005, Кассини получил с высоким разрешением изображение ледяной луны, которые помогли ученым интерпритировать сложную топографию этого небольшого мира. Многие из кратеров в отснятой области были в значительной степени изменены, примером может служить 10 км кратер на данном снимке. Обзор получен узкоугольной камерой с расстояния в 11900 км от Энцелада (70 метров на пиксель).
СРАВНЕНИЕ СНИМКОВ КАССИНИ И ВОЯДЖЕРА
Обширные области Энцелада, казавшиеся на снимках «Вояджера» гладкими, на детальных снимках «Кассини» выглядят складчатыми. Глубокие каньоны тянутся к северу по областям, покрытым трещинами. Даже кратеры перерезаны трещинами и часто разрушены.
СРАВНЕНИЕ СНИМКОВ КАССИНИ И ВОЯДЖЕРА
Это изображение - мозаика из четырех обзоров, полученных с высоким разрешением узкоугольной камерой 17 февраля 2005, во время близкого демонстрационного пролета. Обзор охватывает приблизительно 300 километров. Изображения получены в видимом спектре 17 февраля 2005, с расстояний в интервале от 26140 до 17434 км от Энцелада. Масштаб от 105 до 150 м на пиксель.

    Представим себе холодный и весьма жесткий Энцелад на почти круговой орбите. Интенсивность приливного нагрева мала. Влияние Дионы вызывает рост орбитального эксцентриситета, что приводит к усилению деформаций и вязкому разогреву в ледяной оболочке. Интенсивность выделения тепла начинает превышать скорость его потери с поверхности. От этого возрастает температура внутри Энцелада, и его вещество становится менее жестким, что, в свою очередь, ведет к повышению приливного нагрева. Возможно также, что спутник становится менее жестким не потому, что уменьшается вязкость его вещества, а потому, что трескается оболочка. Приливное напряжение ломает лед и вызывает сдвиги. Трение между поверхностями трещин рассеивает приливную энергию, и вещество вдоль трещин нагревается.

ТИГРОВЫЕ ПОЛОСЫ
В близи в области «тигровых полос» видны глыбы льда размером с дом (вверху). Полосы окружены извилистой циркумполярной грядой гор, которая для тектоники Энцелада, возможно, эквивалентна Гималаям (ниже).
ТИГРОВЫЕ ПОЛОСЫ

    В любом случае, дополнительное рассеивание энергии приводит к округлению орбиты спутника, и постепенно тенденция становится обратной: приливный нагрев начинает снижаться, а потери тепла с поверхности — уменьшаться. Спутник охлаждается, и либо лед становится менее эластичным, либо трещины затягиваются. Затем вновь начинается цикл продолжительностью в десятки миллионов лет. Эта идея показывает, почему мы можем застать спутник в состоянии, когда скорости нагрева и охлаждения не равны друг другу. При таком колебательном процессе приток и потеря тепла равны только в среднем по полному циклу. А в произвольный момент цикла приток тепла может быть больше или меньше среднего, а также больше или меньше скорости охлаждения.

ГОРЯЧИЕ КЛЮЧИ НА ХОЛОДНОЙ ЛУНЕ
Струи вещества, извергающиеся на южном полюсе, образуют над спутником гигантский султан.
Крошечные частицы льда, рассеянные в пространстве, легче всего увидеть в направлении на Солнце. Горы и долины видны по краю силуэта спутника.
С расстояния 2 млн км «Кассини» увидел, что выброшенным веществом наполняется кольцо Е. Некоторые из длинных витых структур вблизи Энцелада — это продолжения выбросов. Другие образовались из-за гравитационного влияния Энцелада на пролетающие мимо него частицы кольца.
Выбросы можно проследить до особых мест на «тигровых полосах». Как ни странно, они не обязательно отличаются от других частей полос (источники I-IV).
Тепловая карта показывает рост температуры до 180° К вдоль полос, что намного выше, чем было бы только при солнечном нагреве. Струи выбрасываются из самых горячих областей (I-IV).
ГОРЯЧИЕ КЛЮЧИ НА ХОЛОДНОЙ ЛУНЕ

    Ойакаганас и Стивенсон показали, что цикл, вызванный температурной зависимостью вязкости льда, может осуществляться на Ио, где, как и на Энцеладе, имеется дисбаланс между выделением и потерей тепла. Однако на Энцеладе этот механизм не работает: Мейер и Виздом выяснили, что Энцелад недостаточно массивен. Возможен цикл, связанный с трещинами, но пока этот вопрос детально не исследован.

А что там внутри?

    Габриель Тоби (Gabriel Tobie) из университета в Нанте (Франция) с коллегами проверили еще одну возможность: а что если слабая зона на южном полюсе фокусирует приливную энергию и тем самым поддерживает себя в этом состоянии? Они смоделировали отклик Энцелада на приливное влияние, предположив, что в секторе под южным полюсом вещество имеет низкую вязкость, что делает эту область спутника более пластичной, чем остальные. Модель воспроизводит наблюдаемый выход тепла, но лишь при двух условиях, которые могут в корне изменить наше представление об Энцеладе.
    Первое условие — наличие теплого, близкого к плавлению, льда в этой зоне. Второе условие — наличие жидкого слоя между ледяной оболочкой и каменным ядром. Этот слой должен охватывать почти все южное полушарие. Без него деформация и, следовательно, вязкий нагрев были бы иными и преобладали бы скорее на экваторе, чем на полюсе.
    В пользу идеи подповерхностного моря говорит тот факт, что южная полярная шапка Энцелада лежит на полкилометра ниже фигуры спутника. Джеффри Коллинз (Geoffrey Collins) из Колледжа Витона и Джейсон Гудмен (Jason Goodman) из Океанографического института в Вудс-Холе считают, что так может проявлять себя море под грунтом. Жидкая вода плотнее льда, поэтому полный ее объем в этой области меньше. В сущности, вся область южного полюса — гигантский карстовый провал.
    Существование моря могло бы объяснить многие геологические особенности Энцелада. Исаму Матсуяма (Isamu Matsuyama) из Института Карнеги в Вашингтоне и Фрэнсис Ниммо (Francis Nimmo) из Калифорнийского университета в Санта-Круз показали, что положение и ориентация основных геологических деталей спутника, в частности, трещин, идущих с севера на юг, и циркумполярных гор, указывает, что ледяная оболочка Энцелада скользила относительно оси вращения. Спутник ведет себя как гигантский гироскоп, оболочка которого не связана с осью вращения.

ЖИЗНЬ НА ЭНЦЕЛАДЕ?
Энцелад удовлетворяет трем основным требованиям для возникновения жизни: жидкая вода, органические соединения и энергия. Существуют ли эти условия достаточно долго? Никто не знает, сколько времени требуется для того, чтобы зародилась жизнь. Судя по геологическим данным, микробы появились на Земле довольно быстро (по геологическим меркам): всего через несколько миллионов лет (или даже меньше) после рождения планеты.
ЖИЗНЬ НА ЭНЦЕЛАДЕ?

    Эта теория может объяснить, почему геологически активные области находятся точно на южном полюсе: теплая область с плотностью меньше средней должна смещаться к оси вращения. К тому же теплая зона под южным полюсом должна подниматься из-за конвекции к верхнему хрупкому слою ледяной оболочки и раздвигать ее в стороны, т.е. вызывать спрединг. Чтобы ледяная оболочка раздвигалась, нужен жидкий слой, выносящий лед из более глубоких слоев.
    Активность Энцелада может быть результатом всех этих эффектов. Если циклы нагрева обусловлены трением в трещинах, а приливные деформации во внешней ледяной оболочке нарастают достаточно быстро, то трещины могут проникать вглубь до вязкой теплой зоны, а возможно — и до самого моря. Разогрев трением в трещинах будет вносить вклад в общий вязкий нагрев под южным полюсом. Лед может таять в глубоких трещинах, и талая вода будет заметно усиливать нагрев. В этом случае подповерхностное море могло бы самоподдерживаться, поскольку слой воды сверху подпитывает теплом лежащее внизу море. И пока море не замерзает даже в фазе охлаждения, процесс будет продолжаться, если орбита Энцелада синхронизирована с орбитой Дионы.

ПОЧЕМУ ЮЖНЫЙ ПОЛЮС?
Почему геологическая активность Энцелада сконцентрировалась на южном полюсе? Не исключено, что это случайность. Возможно, в далеком прошлом, например, произошло столкновение с метеоритом, вроде тех, которые создали огромные кратеры на других спутниках Сатурна, таких как Япет и Тефия. Столкновение могло вначале расколоть или как-то ослабить внешнюю ледяную оболочку, создав в этом месте благоприятные условия для выделения приливной энергии. Затем ледяная оболочка могла начать двигаться: такой процесс называют истинным перемещением полюса. При этом центробежная сила сдвигает слои низкой плотности к полюсу. Пол Хельфенстейн (Paul Helfenstein) из Корнельского университета нашел свидетельства такого перемещения: область Sarandib Planitia вблизи экватора похожа на разрушенную полярную область. В прошлом она могла быть на месте полюса, а затем сдвинулась туда, где находится сейчас.
ПОЧЕМУ ЮЖНЫЙ ПОЛЮС?

    В заключение заметим, что для объяснения наблюдаемых выбросов нужно помнить о жидкой воде. Майкл Манга из Калифорнийского университета в Беркли показал, что частичное замерзание подповерхностного моря увеличивает в нем давление и выталкивает жидкость наверх. Когда в процессе подъема давление в жидкости снижается, растворенный в ней газ (двуокись углерода) выделяется и образует пузырьки, как при вскрытии бутылки шампанского, которые помогают подъему жидкости. Если жидкость ведет себя именно так на пути к поверхности, то мы получаем ответ на вопрос о том, как тепло добирается к поверхности оттуда, где оно возникло, - из глубоких слоев спутника. Текущая вода очень эффективно переносит тепло. Кроме того, ясно, что выбросы - это гейзеры, зарождающиеся в жидких резервуарах под поверхностью.

Энцелад как обитель Жизни

    Мы продолжаем уточнять наши представления о том, как Энцелад стал таким, каков он есть. То, что под поверхностью там жидкая вода, почти не вызывает сомнений. В таком случае налицо волнующая возможность того, что в недрах этого маленького спутника существует среда, где может зародиться жизнь или, по крайней мере, предшествующая ей стадия — жидкая вода, необходимые химические элементы и энергия. Ближайшим аналогом экосистемы Энцелада служат подпочвенные вулканические пласты Земли, где жидкая вода циркулирует между горячих камней при полном отсутствии солнечного света и всего, что ему сопутствует. Там найдены организмы, потребляющие водород и двуокись углерода и выделяющие метан или водород и сульфаты, причем все они питаются не Солнцем, а внутренним теплом Земли.

ПРИЛИВЫ В СИСТЕМЕ САТУРН-ЭНЦЕЛАД-ДИОНА
Своим притяжением Сатурн немного вытягивает фигуру Энцелада (так же возникают приливы в океанах Земли). При обращении Энцелада вокруг Сатурна вытянутость меняется, поскольку орбита спутника не круговая. Эти деформации разогревают недра спутника. К тому же это ведет к округлению орбиты, но притяжение другого спутника Сатурна, Дионы, не позволяет орбите Энцелада стать круговой.
   ХОЛОДНЫЙ СПУТНИК
      Почти круговая орбита
      Жесткое вещество в недрах
      Минимальные приливы и нагрев
   ОРБИТА ВЫТЯГИВАЕТСЯ
      Притяжение Дионы вытягивает орбиту
      Приливное напряжение возрастает
      Образуются трещины
   ГОРЯЧИЙ СПУТНИК
      Трение вдоль трещин вызывает нагрев
      Приток тепла превышает его потерю
      Возможно, лед в трещинах тает
   ОРБИТА ОКРУГЛЯЕТСЯ
      Нагрев потребляет орбитальную энергию
      Орбита начинает округляться
      Приливы слабеют и трещины замерзают
ВКЛАД ПРИЛИВНОЙ ЭНЕРГИИ
Современного приливного нагрева не достаточно для поддержания наблюдаемой геологической активности. Быть может, Энцелад накопил достаточно тепла за прошедшие тысячи или миллионы лет? Нагрев в прошлом мог быть сильнее, если орбита была более вытянутой. Это возможно, если вытянутость орбиты, жесткость вещества и степень нагрева зависят друг от друга, вызывая колебание, в котором все они меняются.
ЦИКЛ НАГРЕВА

    Современный Энцелад — результат всей его предшествующей истории, и мы только начинаем разбираться в его прошлом по следам, разбросанным на его поверхности. Остается много вопросов, на которые не может ответить даже «Кассини» при всем его техническом оснащении. Эти вопросы останутся без ответов, пока мы не пошлем на орбиту вокруг Энцелада специальный космический аппарат или же не посадим его на поверхность. Орбитальный аппарат сможет изучить гравитационное поле спутника и его топографию. По этим данным можно рассчитать распределение массы внутри Энцелада, включая слой жидкости под поверхностью. Маленький посадочный аппарат, снабженный сейсмометром, может обнаружить журчание жидкости под поверхностью.

Струи и повышенная температура доказывают, что под поверхностью Энцелада находится жидкая вода. Для интенсивного нагрева, благодаря которому происходит выброс частиц водяного льда и пара, по-видимому, требуется жидкая вода, способствующая выделению приливной энергии под действием Сатурна. Энцелад может иметь каменное ядро, окруженное толстым слоем водяного льда. Вся южная полярная область опущена на полкилометра относительно фигуры спутника, вероятно, из-за наличия моря под поверхностью. Циркумполярные горы возвышаются на километр над поверхностью этой котловины.
СТРОЕНИЕ ЭНЦЕЛАДА

    Большая стоимость и длительность подготовки такой сложной миссии означают, что мы должны тщательно выбрать цель полета. Многие ученые хотели бы вернуться к Европе, так как у этого спутника Юпитера, вероятно, есть океан под поверхностью, который может быть прибежищем жизни. Но, по моему мнению, исследования Энцелада более перспективны. Поскольку нам не известно о наличии хотя бы одной активной трещины на Европе, добыча образцов из ее недр для поиска следов экосистемы потребует бурения на большую глубину, а это вряд ли осуществимо за время нашей жизни. В то же время, чтобы получить образцы из недр Энцелада, вам нужно всего лишь пролететь сквозь струю или, опустившись в районе южного полюса, поднять голову и высунуть язык.

Вода под давлением и с помощью растворенных газов может подниматься из моря, находящегося подо льдом, и сквозь трещины просачиваться к поверхности. Трение в трещинах способствует повышению температуры и плавлению льда. Конвективные потоки под южной полярной областью могут быть причиной спрединга (раздвигания поверхности) и образования циркумполярных гор.
СТРОЕНИЕ ЭНЦЕЛАДА

    Кроме того, поскольку магнитосфера Сатурна значительно слабее магнитосферы Юпитера, космическому аппарату вблизи Энцелада не придется сражаться с радиацией. И, наконец, путешествие к Энцеладу позволит изучить еще и Титан — второе место в системе Сатурна, где можно исследовать химические зачатки жизни. Сейчас мы наслаждаемся сознанием того, что первое детальное исследование Сатурна и его окружения позволило обнаружить нечто невиданное на южной оконечности маленького загадочного спутника: фантастическое и неспокойное место с ледяными каньонами и взмывающими призрачными фонтанами — редкое зрелище, открытие которого дает пищу и уму, и сердцу. Исследователи планет не смели и мечтать об этом.
ЧАСТЬ II

Автор материала: Каролин Порко, SciAm (Перевод: В.Г. Сурдин) 

Круглосуточная доставка еды в ставрополе kfc.buzznow.ru. . По реальным ценам запчасти мтз предлагаем всем желающим.
2005 - , Проект "Исследование Солнечной системы"
Открыт 15.12.2005, E-mail: lobandrey@yandex.ru