Енцелад жує лід

З листопада 2006 року кожна «тигрова смуга» на південному полюсі Енцелада носить своє ім’я. Зверху вниз: Александрія, Каїр, Багдад, Дамаск. Фото з обговорюваної статті в Nature (V. 447. P. 292-294)

Американські планетологи висунули нову, детально розроблену гіпотезу про механізм роботи водяних вулканів на супутнику Сатурна Енцеладе. Колишні моделі вимагали занадто великої енергії і не пояснювали, чому вулканічна активність спостерігається тільки на обмеженій частині поверхні супутника.

Водяні вулкани на Енцеладі виявили станцією «Кассіні» 2005 року. На знімках видно викиди пари і крижаних кристалів, що піднімаються до висоти 500 км над поверхнею супутника (тобто на величину його діаметра). Частково ця речовина падає назад на поверхню Енцелада, за рахунок чого вона стає білою, як сніг, що свіжовипав, а частково (найменші частинки) йде на поповнення зовнішнього кільця E системи кілець Сатурна. Спочатку з самого факту існування водяних вулканів зробили висновок про наявність під поверхнею Енцелада океану рідкої води. Однак феномен виверження таким припущенням не пояснити. Потрібно ще знайти джерело енергії і вказати причину локалізації вивержень лише в одному районі — поблизу південного полюса супутника.

Південна полярна область Енцелада відома незвичайним елементом рельєфу, який отримав неформальну назву «тигрових смуг». Це паралельно, що простяглися, на відстані близько 30 км один від одного чотири розломи завдовжки близько 130 км. Ширина кожної смуги 2 км, глибина — 500 м, висота стінок розломів над поверхнею планети — 100 м. У листопаді 2006 року Американська геологічна служба (USGS) присвоїла їм власні імена: Александрія, Каїр, Багдад і Дамаск. З цими розломами і пов’язані викиди води, що спостерігалися на Енцеладі. Вимірювання показують, що в цьому районі температура підвищена порівняно з іншою поверхнею супутника (яка становить приблизно -200 ° C, або 73 кельвіна) в середньому на 10, а місцями — на 70 градусів. Однак до останнього часу не було запропоновано задовільного пояснення механізму цих викидів.

Через невелику еліптичність орбіти Енцелад, рухаючись навколо Сатурна, виявляється то ближче, то далі від нього. Згідно з другим законом Кеплера, чим ближче супутник до своєї планети, тим з більшою швидкістю він обертається навколо неї по орбіті. При цьому швидкість обертання Енцелада навколо своєї осі постійна. В результаті накладення цих двох рухів приливні сили, що діють на супутник, деформують його поверхню то в одному, то в іншому напрямку. Амплітуда цих деформацій коливається навколо якоїсь фіксованої точки (позначена червоним хрестиком; рожевий хрестик — точка на протилежному боці супутника). Ріс. зі статті в Nature (V. 447. P. 276-277)

Більшість дослідників погоджувалися, що джерелом енергії для вивержень служить приливний розігрів надр супутника. Як і у всіх близьких до планет супутників, періоди обігу Енцелада навколо своєї осі і навколо Сатурна збігаються. Супутник завжди повернуть до планети однією стороною і має форму злегка витягнуту в цьому напрямку. Однак через невелику еліптичність орбіти (ексцентриситет 0,047) Енцелад, рухаючись навколо Сатурна, відчуває коливання, аналогічні лібраціям Місяця: в перицентрі його обертання відстає від орбітального руху, а в апоцентрі, навпаки, випереджає. Через ці лібрації приливні сили, що діють на супутник, періодично змінюються, що викликає деформації. Їх максимальна амплітуда оцінюється приблизно в 5 метрів, а за рахунок тертя при деформаціях надра супутника розігріваються.

На цій схемі добре видно, як змінюється температура (в кельвинах) навколо тріщини (модель). Температура поверхні Енцелада (за відсутності внутрішнього розігріву) становить 75 кельвінів (мінус 198 ° C). Позначення: Fault — розлом, Shear zone — зона зсуву шарів, Brittle — крихкі шари, Ductile — еластичні шари; Distance — відстань (в км), Depth — глибина (в км). Ріс. з обговорюваної статті в Nature (V. 447. P. 289-291)

Такий механізм забезпечує розігрів супутника Юпітера Іо, завдяки чому на ньому діє безліч вулканів. Однак діаметр Енцелада (499 км) значно менший, ніж у Йо, і енергії, що виділяється в ньому, при рівномірному розподілі по всьому обсягу не вистачило б підтримки вивержень. У двох статтях, опублікованих в журналі Nature, викладена гіпотеза, яка пояснює, як енергія приливних деформацій локалізується в області полярних розломів Енцелада.

Джерелом енергії вивержень автори як і раніше вважають нагрів через приливні деформації, проте виділення цієї енергії вони пов’язують не з в’язким тертям в глибині супутника, а з сухим тертям країв крижаних плит, що становлять кору Енцелада. За їхніми розрахунками, відносна амплітуда зрушень країв розлому за один оборот супутника навколо Сатурна становить близько 50 см. Причому мають місце як рухи, перпендикулярні до осі розлому, так і паралельні. Перші викликають періодичне розкриття і закриття тріщин, а другі — взаємне тертя їхніх стінок, при якому відбувається нагрів і сублімація льоду. Рідка вода, швидше за все, не утворюється, оскільки для цього недостатньо температури і тиску, хоча повністю виключити її появи на деяких стадіях процесу все ж не можна.

Чергування стиснення/натягнення в розломі за час орбітального циклу (модель). Ріс. з обговорюваної статті в Nature (V. 447.P. 292-294)

Розрахунки показують, що достатнє енерговиділення виходить при товщині крижаної кори не менше 5 км, а сам цикл активності крижаних вулканів чимось нагадує рух зубів при пережовуванні їжі. Приблизно за чверть обігу до підходу Енцелада до перицентру орбіти розломи закриваються, при цьому тиск всередині них, викликаний приливними силами, може досягати однієї атмосфери. Викиди при цьому, природно, слабшають. Потім, поблизу перицентру і після нього зміна орієнтації супутника щодо Сатурна викликає поздовжній зсув стінок один щодо одного. У цей момент енерговиділення за рахунок тертя стає максимальним. Однак за оцінками авторів роботи лише 10% цієї енергії йде на прогрів крижаних полів, решта витрачається на сублімацію льоду зі стінок тріщин. Пар, що утворюється, просочується нагору і здебільшого конденсується недалеко від поверхні, одночасно нагріваючи стінки тріщин. Подальший рух по орбіті призводить до того, що приливні сили, що діють перпендикулярно тріщинам, змінюють знак, розломи розкриваються, а пари, що недавно сконденсировались, виявляються у відкритому вакуумі. У таких умовах конденсат, що осів на підігрітих стінках, знову починає інтенсивно випаровуватися, породжуючи спостережувані викиди. За апоцентром розломи поступово починають закриватися, і цикл повторюється.

Важлива гідність і відмінність нової моделі від колишніх полягає в тому, що вона не вимагає розігріву льоду до точки плавлення, чого важко домогтися при відносно низькій енергетиці процесів на Енцеладі. Але водночас цікаво, що гіпотеза тертя крижаних плит зовсім не означає відмови від передбачуваного існування океану під поверхнею Енцелада. Тільки рідка «мастила» робить плити досить рухливими, щоб забезпечити необхідну інтенсивність їх тертя. Якби крижані поля лежали безпосередньо на твердій кам’яній поверхні ядра супутника, їхні взаємні зрушення були б незначними. А при наявності рідких океанів значна частина енергії приливних деформацій концентрується в області розломів, а не розсіюється по всій поверхні супутника. Саме ж існування в надрах Енцелада рідкої води цілком можливе, оскільки з глибиною зростають як тиск, так і температура. Зокрема, температура повинна досягати приблизно 0 ° C на глибині 25-30 км.

Якщо гіпотеза вірна, то в роботі крижаних вулканів Енцелада повинна спостерігатися циклічність, що збігається з орбітальним періодом поводження супутника. Однак перевірити це передбачення не так-то легко. У 2006 році станція «Кассіні» лише тричі спостерігала південну полярну область Енцелада — в січні, лютому і листопаді. При першому зближенні супутник пройшов одну восьму орбіти після апоцентру і розломи перебували в процесі закриття. За оцінками авторів, відкритими вони залишалися протягом 46% сукупної довжини, а повністю сумнівеними — на 11%. Листопадові спостереження застали супутник у самого апоцентру, і, за розрахунками, тріщини повинні були перебувати у відкритому стані протягом 82% своєї довжини. У згоді з моделлю викиди в цей момент спостерігалися майже у всіх точках розломів.

Лютнева серія спостережень припала на момент, коли Енцелад був на підходах до перицентру орбіти, і велика частина розломів повинна була закритися. Ці дані могли б мати велике значення для перевірки моделі, але, на жаль, в той раз станція перебувала в невдалому положенні щодо супутника, і викиди були погано видно. Заповнити цей пробіл повинна серія спостережень, виконана 24 квітня 2007 року. Однак поки агентство NASA не опублікувало отримані в цей день результати.

Джерела:

1) F. Nimmo, J. R. Spencer, R. T. Pappalardo, M. E. Mullen. Shear heating as the origin of the plumes and heat flux on Enceladus // Nature. 2007. V. 447. P. 289-291.

2) T. A. Hurford, P. Helfenstein, G. V. Hoppa, R. Greenberg, B. G. Bills. Eruptions arising from tidally controlled periodic openings of rifts on Enceladus // Nature. 2007. V. 447. P. 292-294.

Олександр Сергєєв

Див. також:

1) Енцелад володіє «динамічною атмосферою», «Елементи», 03.08.2005.

2) На Енцеладі б’ють фонтани, «Елементи», 03.09.2005.

3) Енцелад — кандидат для пошуків позаземного життя, «Елементи», 07.09.2005.