Ученые смоделировали ледяные вулканы на планетарных телах Солнечной системы
Ученым удалось воссоздать экстремальные условия, существующие на ледяных планетарных телах в глубоком космосе, и выявить нестабильное поведение воды. При отсутствии или минимуме атмосферного давления в космосе вода ведет себя совсем не так, как на Земле. Она одновременно кипит и замерзает.
Спутники больших планет и некоторые малые планеты покрыты ледяной коркой, под которой предполагаются жидкие океаны. Подобно тому, как лава, извергающаяся в результате вулканической активности, меняет форму поверхности Земли, вода меняет форму ледяных «лун» в процессе так называемого криовулканизма.
Чтобы понять, как непривычное поведение воды может быть движущей силой геологических изменений на ледяных спутниках и малых планетах, исследователи из Университета Шеффилда, Открытого университета и Чешской академии наук использовали специально сконструированную камеру низкого давления для создания условий, близких к вакууму, которые наблюдаются на спутнике Юпитера Европе и спутнике Сатурна Энцеладе.
Оба ледяных спутника имеют замороженную поверхность. На Энцеладе температура на экваторе составляет -193 °C. Астрономы наблюдали свидетельства гигантских струй из водяного пара и частиц воды, выбрасываемых в космос в результате вулканоподобного процесса, известного как взрывной криовулканизм.
Существует родственный процесс, называемый эффузивным криовулканизмом, при котором жидкость выбрасывается в виде потока на поверхность ледяных «лун». Это похоже на поток лавы на Земле, хотя доказательства такой активности трудно обнаружить издалека даже в самый мощный телескоп. Поможет лишь наблюдение с пролетающего рядом космического аппарата.
Исследовательская группа решила выяснить механизм криовулканизма, изучая поведение воды в условиях, близких к инопланетному вакууму. Результаты исследования опубликованы в журнале Earth and Planetary Science Letters.
Ученые использовали камеру низкого давления по имени «Джордж» (the Large Dirty Mars Chamber, «Большая грязная марсианская камера»), расположенную в Открытом университете. Впервые экспериментаторы смогли проводить исследования с относительно большими объемами воды и снимать происходящее через иллюминаторы.
Когда давление внутри камеры снизилось, вода начала пузыриться и кипеть, несмотря на холод. Кипение создавало пар, который отводил тепло от воды. Она охлаждалась, достигая точки замерзания, на поверхности образовывались плавающие льдинки. Они продолжали расти в размерах, а по краям образовывался новый лед. За несколько минут большая часть воды покрылась тонким льдом.
Под ледяным покровом жидкая вода продолжала кипеть, пузырьки прорывали или деформировали ледяной слой, позволяя воде вытекать или просачиваться через трещины на поверхность. Более ранние исследования с гораздо меньшими объемами воды предполагали, что толстый слой льда быстро блокирует воду, предотвращая дальнейшее кипение. Однако выяснилось, что формирующийся слой льда ненадежен и полон отверстий и пузырьков.
Если бы лед был прочнее, он, вероятно, изолировал бы жидкую воду под ним и предотвратил бы дальнейшее кипение. Но эксперименты показывают, что при кипении воды выделяющийся газ задерживается под ледяной коркой. Давление нарастает, лед трескается, газ выходит наружу, и жидкая вода может на короткое время просочиться через трещины на поверхность льда, но затем снова подвергнется воздействию низкого давления и начнет замерзать. Как только появляются новые трещины, вода снова начинает кипеть, и весь процесс повторяется.
На Земле вода подчиняется известным физическим законам: на уровне моря она замерзает при температуре ниже 0°C и кипит при температуре выше 100°C. Если подняться в гору, точка кипения сместится по шкале вниз. Но даже на вершине Эвереста атмосферному давлению очень далеко до космического вакуума. Доктор Петр Броз из Института геофизики Чешской академии наук и ведущий автор исследования признал, что процесс замерзания воды под очень низким давлением гораздо сложнее, чем считалось ранее.
В таких условиях вода быстро закипает даже при глубоком минусе, поскольку она нестабильна при низком давлении. Одновременно она испаряется и начинает замерзать под действием интенсивного охлаждающего эффекта, вызванного самим испарением. Образующаяся ледяная корка многократно разрушается пузырьками пара, которые поднимают и раскалывают лед, значительно замедляя, усложняя и продлевая процесс замерзания.
Исследователи надеются, что их работа поможет обнаружить древние признаки криовулканической активности не только на ледяных «лунах», но и на других небесных телах Солнечной системы, прежде всего на Марсе. Там наблюдаемый учеными процесс подъема пузырьков и деформации ледяного покрова привел к образованию неровной ледяной корки с выступами и впадинами.
Профессор планетологии Открытого университета Маниш Патель, который руководит проектом по моделированию марсианской активности, отметил, что неровности, вызванные паром, захваченным подо льдом, можно обнаружить с помощью орбитальных космических аппаратов, оснащенных радарами. Это открывает потенциально новый способ идентификации древней криовулканической активности на Красной планете. Это может дать ценные подсказки для планирования будущих миссий к отдаленным мирам и помочь лучше понять не встречающийся на Земле и потому загадочный процесс криовулканизма.
О вероятном криовулкане на карликовой Церере читайте в материале Hi-Tech Mail.
