Спутник напоил кольцо Сатурна

Учёные определили, глубину, на которой находится вода на Энцеладе

Учёные объяснили, почему спутник Сатурна Энцелад выбрасывает пыль с гораздо меньшей скоростью, чем водяной пар. А заодно выяснили, на какой глубине подо льдом находится вода, какова её температура, и как гейзеры питают кольцо E Сатурна.

Спутник Сатурна Энцелад давно изучается учёными. При скромных размерах – диаметр его около 500 км – он оказался невероятно ярким, что и позволило открыть его уже в XVIII веке. Большинство специалистов долгое время даже полагало, что Энцелад гораздо крупнее, чем он оказался на самом деле: трудно было представить, что спутник отражает почти 100% падающего на него свет. Например, частично покрытая белыми облаками Земля отражает всего 40% падающего на неё излучения, а полностью скрытая тучами Венера – 70%.

Белый цвет Энцелада навёл учёных на мысль, что он может быть покрыт коркой льда, и вскоре спектральные наблюдения подтвердили это предположение. При этом лёд оказался «нашим», водяным – а не, скажем, углекислотным, который составляет большую часть марсианских полярных шапок.

Однако по-настоящему учёные начали удивляться этому небесному телу только в 1980-х годах, когда мимо Сатурна пролетели космические аппараты Voyager 1 и Voyager 2. Как оказалось, Энцелад движется в самой гуще одного из колец планеты – тусклого и широкого внешнего кольца E, а его поверхность во многом напоминает спутник Юпитера — Европу, тот же белый цвет, те же длинные трещины и те же протяжённые гладкие области, покрытые водяным льдом.

Сочетание «места прописки» Энцелада в плотной области кольца E и сходства спутника с ледяной Европой сразу вызвало предположение, что Энцелад причастен к образованию кольца. Как полагают большинство астрономов, под многокилометровой коркой льда на Европе есть океан жидкой воды, и не исключено, что нечто подобное присутствует и на Энцеладе. Может ли эта вода питать кольцо?

Как оказалось, может. В 2005 году космический аппарат Cassini подробно изучил сатурнианскую луну, несколько раз облетев её. Сначала научные инструменты аппарата заметили, что он пролетел через облако водяного пара, а затем были сфотографированы уникальные «гейзеры», выбрасывающие водяной пар вблизи южного полюса космического тела. Протяжённость этих образований на фотографиях – десятки километров, однако на самом деле они продолжаются гораздо дальше, поскольку пар и выбрасывается со скоростями больше второй космической на поверхности спутника, освобождаясь от оков гравитации этого космического тела.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "incutNum": 1,
    "picsrc": "Энцелад на фоне кольца E и гейзеры ближним планом
//Cassini, NASA/ESA",
    "repl": "<1>:{{incut1()}}",
    "uid": "_uid_2628052_i_1"
}

Считается, что гейзеры бьют из так называемых тигровых полос – длинных, протяжённостью несколько сот километров тёмных трещин в ледяном покрове, а источником служит подлёдный резервуар воды. Эти полосы располагаются на южном полюсе спутника, их дно почти на 60 градусов теплее, чем окружающие участки льда, и не исключено, что именно из-за них Энцелад оказывается одним из немногих тел Солнечной системы, на котором один из полюсов теплее экватора.

Однако в какой форме образуются там водяной пар и крохотные, покрытые тончайшим слоем льда частички пыли — остаётся загадкой. Это может быть как жидкая вода, так и лёд. В том, что лёд может испаряться, минуя жидкую фазу (сублимировать) ничего удивительного нет – при небольшом давлении такое может происходить, и в этом может убедиться каждый, видевший, как «дымится» сухой лёд – замёрзшая углекислота.

Согласно одной из теорий, именно это и происходит – недалеко от поверхности лёд растапливается и тут же испаряется, по каким-то причинам лишившись сдерживавшего испарение давления ледовой шапки. Правда, остаётся непонятным, как такие источники могут поддерживать почти стационарное истечение пара и пыли в течение долгого времени. Сталкиваются с проблемами и другие теории.

Один из нерешённых вопросов – как так получается, что пар выбрасывается с огромной скоростью, позволяющей ему оторваться от притяжения спутника, а пыль – гораздо медленнее, оседая в итоге на его поверхности. Этим вопросом занялась команда учёных из Германии, России и Великобритании, результаты работы которой опубликованы в последнем номере журнала Nature.

Решение этого вопроса не только полностью изменило наше понимание того, как формируются гейзеры, но и позволило создать его модель, в которой наконец-то «всё сошлось» с данными наблюдений.

Юрген Шмидт, Николай Бриллиантов, Франк Шпан и Саша Кемпф считают, что ключ к разгадке – неровность стенок расщелины, из которой бьёт гейзер. Если сравнивать её поперечный разрез с музыкальным инструментом, то он будет похож не на ровный кларнет или флейту, а скорее на пунги – «факирскую флейту», причём не с одним, а множеством утолщений, да к тому же изрядно покорёженную.

Именно изменение толщины расщелины одновременно ускоряет газ (водяной пар) и замедляет пылинки. Первый эффект – чисто гидродинамический, знакомый каждому, кто в курсе теоретической механики изучал задачу о сопле Лаваля (конечно, имеется в виду сопло, а не выделения слизистой оболочки носа французского учёного). Газ в нём сначала ускоряется при сужении канала, а затем переходит звуковой барьер и в дальнейшем ускоряется уже при его расширении. Подсчёты показывают, что в случае с Энцеладом такое происходит на выходе из расщелины.

Энцелад

спутник Сатурна, обращающийся вокруг планеты за 33 часа по почти круговой орбите (e=0,0047) радиусом 238 тысяч километров, находящейся в плоскости экватора и колец Сатурна. Движется в плотной части внешнего кольца E и, вероятно, является источником составляющего его вещества.Открыт в 1789 году английским астрономом Вильямом Гершелем.

Шестой по размеру спутник планеты. Средний диаметр составляет около 504 км, средняя плотность 1,6 г/см³. Вторая космическая скорость на поверхности планеты 240 метров в секунду. Вращается синхронно с орбитальным обращением - постоянно повёрнут к Сатурну одной стороной.

Поверхность планеты покрыта ярким слоем водяного льда. Средняя температура поверхности - 198^oC. Заметны следы недавней геофизической активности. По некоторым представлениям, под толстым слоем льда находится океан жидкой воды.Обладает разреженной атмосферой, состоящей, в основном, из водяного пара, азота, углекислого газа и метана. Гравитация не может удерживать атмосферу постоянно, поэтому она, вероятно, постоянно пополняется из внутренних источников.

В то же время пыль, которая поначалу выбрасывается с той же скоростью, что и пар, не является газом, и вместо обтекания стенок ударяется об их неровности и тормозится. Возникает что-то вроде силы трения. Увлечь за собой пылинки газ не может – слишком мала плотность потока, и пыль вырывается на поверхность с гораздо меньшей скоростью.

Данные о соотношении скоростей двух компонент, плотности вещества и яркости выбрасываемого с поверхности вещества, полученные аппаратом Cassini, позволяют оценить и размер пылинок – они оказывается в среднем чуть меньше микрона, и характер неровностей расщелины, и её размеры.

Кроме того, они доказывают, что подо льдом на южном полюсе Энцелада находится именно жидкая вода, и указывают, где именно.

Чтобы получить наблюдаемые значения параметров приходится либо предполагать, что стенки каналов идеально ровные на масштабах в десятки километров, а это выглядит невероятным, либо допустить, что пар вырывается через расщелины толщиной от десятков сантиметров до нескольких метров, а его температура на выходе из канала составляет -30…-10 градусов по шкале Цельсия. Поднимаясь, газ охлаждается, так что подлёдный источник должен быть ещё теплее, и расчёты показывают, что температура там – около нуля, тройной точки воды, где газообразная, жидкая и твёрдая фаза существуют в равновесии. А значит, под давлением ледяной корки находится именно жидкая вода, уверены учёные.

Кроме того, решение гидродинамической задачи подсказывает толщину этой корки. Вода на Энцеладе расположена всего в сотне метров от поверхности.

Это гораздо ближе, чем на юпитерианской Европе, где бурить лёд до воды пришлось бы, по самым оптимистичным расчётам, несколько сот метров, а согласно большинству моделей – от нескольких до нескольких десятков километров.

Титану не хватит метана

Спутник Сатурна Титан не в состоянии поддерживать свой нынешний климат, основу которого составляет круговорот метана, подобный круговороту воды на Земле. Как показали Ральф Лоренц их Университета имени Джона Хопкинса в Мэриленде и его коллеги, метановый цикл может продолжаться ещё не более 10 миллионов лет. После этого на Титане наступит долгая – а возможно, и вечная – метановая зима, подобная той водно-углекислотной зиме, что, вероятно, многие миллионы лет назад пришла на Марс.

Как рассказал Лоренц в интервью Nature, «Титан может рассказать нам много интересного о круговороте воды в природе (на Земле) и роли облаков в регулировании климата».

«В определённом смысле, Титан для круговорота воды примерно то же, что Венера для парникового эффекта – земное явление, доведённое до предела», — добавляет он. И если пример Венеры показывает, до какой степени может усилиться глобальное потепление, то Титан, на котором многовековые периоды засухи могут сменять события вроде всемирного метанового потопа, может показать возможную тенденцию развития земного климата.

В атмосфере Титана – крупнейшего спутника Сатурна, размерами не уступающего планете Меркурий, – всё время висит густой туман из органических веществ характерного рыжеватого цвета. На поверхности спутника находятся огромные озёра, состоящие, по-видимому, из метана и этана, до нескольких сот километров в поперечнике, а между ними – дюны похожего на песок материала, который, по предположением учёных, состоит из сложных гетерополимеров, состоящих из остатков простых органических молекул и атомов азота. Карл Саган назвал такие вещества, встречающиеся на поверхности других планет, толинами; на Земле они естественным путём не формируются.

Средняя температура планеты – около -178 по Цельсию, при которой метан находится в жидком состоянии. Тем не менее, часть его, как на Земле вода, испаряется, образуя в атмосфере метановые облака, из которых поверхность поливают метановые дожди. Метановые реки с толиновыми берегами стекают в метановые озёра и цикл продолжается.

Лоренц подсчитали общий объём запасов жидкого метана на планете, воспользовавшись результатами радарного картирования, и фотографиями, полученными зондом Huygens, спустившимся в атмосферу планеты в январе 2005 года. Геофизики оценивают этот объём интервалом от 30 до 300 тысяч кубических километров, что сравнимо с объёмом одного лишь Каспийского моря (78 тысяч км³). Для космического тела площадью в 1/15 от земной, этого недостаточно, считают они. В то же время, общий объём толинов составляет от 200 до 800 тысяч кубокилометров – в сотни раз больше, чем каменного угля на Земле.

Согласно принятой теории, толины образуются при разложении метана солнечной радиацией и соединении его остатков в большие молекулы. Подсчёты показывают, что это не могло происходить в течение всей геологической истории спутника, поскольку иначе было бы синтезировано гораздо больше этих веществ, а значит «метановый круговорот» на поверхности Титана начался по геологическим меркам недавно. Более того, весь нынешний метан будет переработан в толины в ближайшие десяток миллионов лет.

Метан – мощнейший парниковый газ, который гораздо эффективнее углекислого, поэтому с его потерей из атмосферы на Титане станет гораздо холоднее.

Впрочем, выводы геофизиков основаны лишь на наблюдениях примерно пятой части поверхности и предположении, что она похожа на те четыре пятых, что Huygens и радары ещё не видели. Кроме того, учёные не учитывали возможности наличия внутренних источников метана – например, вулканов, выбрасывающих на поверхность органику. Могли ошибиться они и с подсчётом толинов – если часть их смешивается с грунтом, не образуя отдельных дюн, то их на Титане гораздо больше, и метановый цикл действительно мог продолжаться миллиарды лет.

Из измерений Cassini можно оценить и характерные размеры гейзеров. Их полная производительность – около 5 кг пыли и 100 кг газа в секунду, а общая протяжённость активных участков разлома должна составлять порядка километра – это весьма небольшой участок 500-километровой тигровой полосы. Примерно то же самое видит и Cassini, наблюдая в расщелинах отдельные «гейзеры».

Распределение скоростей пылевых частиц позволяет подсчитать долю пыли, которая покидает планету. Это примерно пятая часть выброшенного – около килограмма пыли в секунду. И опять сходится – примерно столько пыли нужно, чтобы поддерживать в равновесии кольцо E Сатурна. Кроме того, и размер выброшенных пылевых частиц соответствует тем, что составляют это кольцо – с той поправкой, что дольше в нём проживут чуть большие по размеру пылинки.

Кажется, что Энцелад наконец-то раскрыл свои тайны, а заодно и тайну подпитки одного из колец планеты. Тем не менее, учёные полагают, что их ждёт ещё множество загадок. Первые будут заданы уже через месяц – 12 марта зонд Cassini пройдёт всего в полусотне километров от поверхности планеты. Наверняка к следующему сближению – в августе этого года, астрономы всё ещё будут ломать головы, пытаясь найти отгадки.