В глубинах небесного океана. Научно-фантастическое рассуждение

Спутники Юпитера. Ио

Фото Ио, сделанное аппаратом «Галилео» в 1999 году. Желтоватый цвет говорит о высоком содержании серы. Тёмное пятно левее центра – извергающийся вулкан Прометей, его окружают светлые равнины, покрытые оксидом серы

«И́о или Иó (др.-греч. Ἰώ) – спутник Юпитера, самый близкий к планете из четырёх галилеевых спутников. Назван в честь мифологической Ио – жрицы Геры и возлюбленной Зевса. Имеет диаметр 3642 км, что делает её четвёртым по величине спутником в Солнечной системе.

Спутник является самым геологически активным телом Солнечной системы, на нём находится более 400 действующих вулканов. Такая активность обусловлена периодическим нагревом недр спутника в результате трения, которое происходит, скорее всего, из-за приливных гравитационных воздействий со стороны Юпитера, Европы и Ганимеда. У некоторых вулканов выбросы серы и диоксида серы настолько сильны, что поднимаются на высоту 500 километров. На поверхности Ио можно заметить более ста гор, которые выросли благодаря сжатию в основании силикатной коры спутника. Некоторые из этих пиков выше горы Джомолунгма на Земле – например, гора Южная Боосавла выше Джомолунгмы в два раза. В отличие от большинства спутников во внешней части Солнечной системы (которые в основном состоят из водяного льда), Ио в основном состоит из силикатных пород, окружающих расплавленное ядро из железа или сернистого железа. На большей части поверхности Ио простираются обширные равнины, покрытые замороженной серой или диоксидом серы.

Линии магнитного поля Юпитера, которые пересекают Ио, соединяют атмосферу Ио и нейтральное облако с верхними слоями полярной атмосферы Юпитера электрическим током, известным как потоковая трубка Ио. Этот ток служит причиной полярных сияний в юпитерианской атмосфере, которые именуются «следом Ио», а также сияний в атмосфере Ио. Частицы, идущие по этой трубке, делают полярные области Юпитера тёмными в видимом свете. Местоположение Ио и её «следа» в атмосфере Юпитера относительно Земли и Юпитера сильно влияет на интенсивность наблюдаемого радиоизлучения Юпитера: она сильно увеличивается, когда Ио в зоне видимости. КА «Юнона», который стартовал к Юпитеру 5 августа 2011 года и прибыл к нему в июле 2016, должен пролить свет на взаимодействие между Ио и магнитосферой Юпитера. Линии юпитерианского магнитного поля, проходящие сквозь ионосферу Ио, генерируют электрические токи, которые создают магнитное поле в недрах Ио. Считается, что индуцированное магнитное поле Ио генерируется в частично расплавленной силикатной магме в 50 километрах под поверхностью спутника. Схожие индуцированные магнитные поля «Галилео» обнаружил и на остальных галилеевых спутниках, где они генерируются предположительно подповерхностными водными океанами.

Магнитометр«Галилео» не обнаружил у Ио собственного магнитного поля, и это указывает на то, что в её железном ядре нет конвекции.

Приливный разогрев

Наиболее вероятным источником внутреннего тепла Ио (в отличие от Земли и Луны) считают приливный разогрев недр спутника в результате орбитальных резонансов Ио с Европой и Ганимедом, а не радиоактивный распад. Такой разогрев зависит от расстояния между Ио и Юпитером, эксцентриситета её орбиты, состава и физических характеристик её недр. Резонанс Лапласа с Европой и Ганимедом поддерживает эксцентриситет Ио и предотвращает скругление орбиты Ио, которое иначе происходило бы из-за диссипации приливной энергии. Орбитальный резонанс поддерживает и текущий радиус орбиты Ио (иначе приливы на Юпитере заставляли бы Ио медленно удаляться от него). Изменение высоты приливного горба Ио между апоцентром и перицентром может достигать 100 метров. Трение при этих подвижках создаёт в недрах Ио приливный разогрев, а он поддерживает расплавленной существенную часть мантии и ядра спутника. Это делает возможной вулканическую активность [75]. Приливный разогрев даёт примерно в 200 раз больше тепла, чем радиоактивный распад [9]. Оценки, сделанные на основе измерений теплового потока из «горячих» областей Ио, показали, что мощность приливного разогрева может достигать (0,6…1,6) ×108 МВт, что на два порядка превышает суммарную мощность, потребляемую человечеством (2×106 МВт). Модели орбиты Ио показывают, что мощность приливного разогрева недр Ио изменяется со временем, и текущий тепловой поток не репрезентативен для долгосрочной перспективы.

Поверхностный состав

Картирование состава и высокая плотность Ио указывают на то, что на Ио практически нет воды, хотя там были ориентировочно идентифицированы небольшие карманы водяного льда или гидратированных минералов (прежде всего на северо-западной стороне горы Gish Bar Mons). Эта нехватка воды, вероятно, связана с тем, что во времена формирования Солнечной системы Юпитер был достаточно горячим, чтобы такие летучие вещества, как вода, улетучились из окрестностей Ио (хотя и недостаточно горячим, чтобы так произошло и на более далёких спутниках).

Атмосфера

Полярное сияние в верхних слоях атмосферы Ио. Различными цветами светятся различные компоненты атмосферы. Зелёное свечение даёт натрий, красное – кислород, синее – вулканические газы, такие как диоксид серы. Изображение получено во время затмения на Ио

На изображениях Ио, сделанных высокочувствительными камерами во время затмения спутника, видны полярные сияния. Как и на Земле, эти сияния вызываются радиацией, поражающей атмосферу, но в случае Ио заряженные частицы прибывают по линиям магнитного поля Юпитера, а не от солнечного ветра. Обычно полярные сияния наблюдаются возле магнитных полюсов планет, но у Ио они самые яркие вблизи экватора. У Ио нет собственного магнитного поля, поэтому заряженные частицы, движущиеся вдоль магнитного поля Юпитера, беспрепятственно воздействуют на атмосферу спутника. Ярчайшие полярные сияния возникают вблизи экватора – там, где линии магнитного поля параллельны поверхности спутника и, следовательно, пересекают бо́льшую толщу газа. Полярные сияния в этих областях колеблются в зависимости от изменений ориентации наклонённого магнитного диполя Юпитера. Кроме экваториальных, наблюдаются и другие полярные сияния (тоже видимые на изображении выше): красное свечение атомов кислорода вдоль лимба Ио и зелёное свечение атомов натрия на её ночной стороне.» 9

Что же можно добавить, спутник действительно очень горячий, но тем не менее даже там в поверхностных карманах на таком жарком теле есть водяной лед.

Но, что если под поверхностью пусть и в небольшом количестве есть жидкая вода?

«Линии юпитерианского магнитного поля, проходящие сквозь ионосферу Ио, генерируют электрические токи, которые создают магнитное поле в недрах Ио. Считается, что индуцированное магнитное поле Ио генерируется в частично расплавленной силикатной магме в 50 километрах под поверхностью спутника. Схожие индуцированные магнитные поля „Галилео“ обнаружил и на остальных галилеевых спутниках, где они генерируются предположительно подповерхностными водными океанами.»

По сути такое горячее тело, не должно иметь жидкости, однако не будем спешить и примем во внимание еще один факт:

«Картирование состава и высокая плотность Ио указывают на то, что на Ио практически нет воды, хотя там были ориентировочно идентифицированы небольшие карманы водяного льда или гидратированных минералов (прежде всего на северо-западной стороне горы Gish Bar Mons).»

На Ио есть гидратированные минералы, то есть лед в породе, а значит он идет из под поверхности. На юпитерианской стороне с ее высокими температурами вряд ли возможно, а вот вода на противоюпитерианской стороне постоянно отвернутой от перегрева и геоактивности, создает более благоприятные условия для существования под поверхностью жидкой воды. Естественно будет упомянуто коррозийное свойство расширяющегося льда, который наверняка проложил себе грунтовый путь. Теплообмен от горячей стороны компенсирует поддержание тепла сверху, а приграничные районы дня и ночи станут причиной подтаивания внутрипородного льда. Сами же границы из-за постоянной активности с одной стороны и отсутствия ее с другой, а также постоянного температурного перепада явно создали там полости, пещеры. Продолжая далее рассуждение станет ясно, что «добравшийся» до теплой стороны и пещер лед, подтаивая, начнет вначале конденсировать от нагрева, а после пойдет теплым потоком по коррозированным щелям обратно, а после остывая снова к горячей стороне, и так до тех пор пока не возникнут полости-русла где сможет также попутно идти водяной пар. Он же в свою очередь более равномерно сможет поддерживать полостное, пещерное пространство под поверхностью на противоюпитерианской стороне. Да, кстати кислород (дающий красный свет при полярных сияниях) может быть «родом» из недр спутника Ио как показатель жидкой и газообразной воды (распад пара на H2 и O2 при определенной температуре и и электрическом поле – разряды между Ио и Юпитером) находящихся в глубинах.

Европа (спутник)

«Евро́па (др.-греч. Ἐυρώπη), или Юпитер II – шестой спутник Юпитера, наименьший из четырёх галилеевых спутников.

По размерам уступая Луне, Европа состоит в основном из силикатных пород, а в центре содержит железное ядро. Поверхность состоит изо льда и является одной из самых гладких в Солнечной системе; на ней очень мало кратеров, но много трещин. Легко заметная молодость и гладкость поверхности привели к гипотезе, что под ней находится водяной океан, в котором не исключено наличие микроскопической жизни. Вероятно, он не замерзает благодаря приливным силам, периодические изменения которых вызывают деформацию спутника и, как следствие, нагрев его недр. Это же служит причиной эндогенной геологической активности Европы, напоминающей тектонику плит. У спутника есть крайне разрежённая атмосфера, состоящая в основном из кислорода.

Однако некоторые данные указывают на то, что приливный захват спутника неполон и его вращение немного асинхронно: Европа вращается быстрее, чем обращается вокруг планеты, или, по крайней мере, так было в прошлом. Это говорит об асимметричном распределении массы в её недрах и о том, что ледяная кора отделена от каменной мантии слоем жидкости.

Хотя эксцентриситет орбиты Европы невелик, он даёт начало её геологической активности. Когда Европа приближается к Юпитеру, их приливное взаимодействие усиливается, и спутник слегка вытягивается вдоль направления на планету. Спустя половину периода обращения Европа отдаляется от Юпитера и приливные силы слабеют, позволяя ей вновь стать более круглой. Кроме того, из-за эксцентричности орбиты Европы её приливные горбы периодически смещаются по долготе, а из-за наклона оси её вращения – по широте. Величина приливных деформаций, согласно расчётам, лежит в пределах от 1 м (если спутник полностью твёрдый) до 30 м (если под корой есть океан). Эти регулярные деформации способствуют перемешиванию и нагреву недр Европы. Тепло стимулирует подземные геологические процессы и, вероятно, позволяет подповерхностному океану оставаться жидким. Первоисточник энергии для этого процесса – вращение Юпитера вокруг своей оси. Его энергия превращается в энергию орбитального движения Ио посредством приливов, вызываемых этим спутником на Юпитере, а далее передаётся Европе и Ганимеду при помощи орбитальных резонансов – их периоды обращения относятся как 1:2:4. Если бы не взаимодействие Европы с другими спутниками, её орбита со временем стала бы круглой из-за диссипации приливной энергии, и нагрев недр прекратился бы.

Физические характеристики

Сравнение размеров Земли, Луны и Европы

Близкий к натуральному цветповерхности (слева) и искусственно усиленный цвет (справа). Фото АМС«Галилео»

По размеру Европа немногим меньше Луны. Имея диаметр 3122 км, она занимает шестое место по величине среди спутников и пятнадцатое – среди всех объектов Солнечной системы. Это самый маленький из галилеевых спутников. Однако масса Европы больше, чем у всех известных спутников в Солнечной системе, уступающих ей размерами, вместе взятых. Её средняя плотность – 3,013 г/см3 – указывает на то, что она состоит в основном из силикатных пород и, таким образом, схожа по составу с планетами земной группы.

Происхождение и эволюция

На заре истории Европы её температура могла превышать 700 К, что могло привести к интенсивному выделению летучих веществ, которые гравитация Европы не могла удержать. Подобный процесс происходит на спутнике и сейчас: водород, образующийся при радиолизе льда, улетает прочь, а кислород задерживается, образуя тонкую атмосферу. В настоящее время, в зависимости от темпа выделения тепла в недрах, несколько десятков километров коры могут находиться в расплавленном состоянии.

Внутренняя структура

Внутреннее строение Европы

Европа больше похожа на планеты земной группы, чем другие «ледяные спутники», и в значительной степени состоит из камня. Внешние слои спутника (толщиной предположительно 100 км) состоят из воды – частью в виде ледяной коры толщиной 10—30 км, а частью, как полагают, – в виде подповерхностного жидкого океана. Ниже лежат горные породы, а в центре, предположительно, находится небольшое металлическое ядро. Главный признак наличия океана – магнитное поле Европы, обнаруженное «Галилео». Оно всегда направлено против юпитерианского (хотя последнее на разных участках орбиты Европы ориентировано по-разному). Это означает, что его создают электрические токи, индуцированные в недрах Европы магнитным полем Юпитера. Следовательно, там есть слой с хорошей проводимостью – скорее всего, океан солёной воды. Другой признак существования этого океана – данные о том, что кора Европы когда-то сдвинулась на 80° относительно недр, что было бы маловероятно, если бы они прочно прилегали друг к другу.

Поверхность

Мозаика из снимков поверхности Европы, сделанных КА «Галилео». Видно признаки эндогенной геоактивности: линии, лентикулы (бугры и ямы) и Коннемарский хаос (ниже центра)

Поверхность Европы одна из самых ровных в Солнечной системе, лишь немногие образования, напоминающие холмы, имеют высоту до нескольких сотен метров. Высокое альбедо спутника – около 0,65 – свидетельствует о том, что поверхностный лёд относительно чистый и, следовательно, молодой (полагают, что, чем чище лёд на поверхности «ледяных спутников», тем он моложе) (что свою очередь означает постоянное его подтаивание и подмывание более теплыми водами) я.

Количество кратеров невелико (есть лишь около 30 наименованных кратеров диаметром свыше 5 км), что говорит об относительной молодости поверхности – от 20 до 180 млн лет. Следовательно, Европа обладает высокой геоактивностью. В то же время сравнение фотографий «Вояджеров» и «Галилео» не выявило каких-либо заметных изменений за 20 лет. Сейчас в научном сообществе нет полного консенсуса насчёт того, как образовались детали, наблюдаемые на поверхности Европы.

Линии

Изображение, полученное «Галилео» в примерно естественных цветах, демонстрирующее линии на поверхности Европы

Вероятно, поверхность Европы претерпевает постепенные изменения – в частности, образуются новые разломы. Они иногда превосходят 20 км в ширину и зачастую имеют тёмные размытые края, продольные борозды и центральные светлые полосы. При подробном рассмотрении видно, что края некоторых трещин сдвинуты относительно друг друга, а подповерхностная жидкость, вероятно, иногда поднималась по трещинам вверх (т.е.вода более теплая внутри и имеет более высокое давление-капилярный эффект.) я.

По наиболее вероятной гипотезе, эти линии – результат растяжения и растрескивания коры Европы, причём по разломам на поверхность выходил разогретый лёд снизу. Это явление напоминает спрединг в океанических хребтах Земли. Считается, что эти трещины появились под влиянием приливных сил Юпитера. Поскольку Европа находится в приливном захвате, система трещин должна быть ориентирована относительно направления на планету определённым и предсказуемым образом. Однако так направлены только относительно молодые разломы. Остальные направлены иначе, и чем они старше, тем это различие больше. Это может объясняться тем, что поверхность Европы вращается быстрее недр: ледяная кора спутника, отделённая от недр слоем жидкой воды, прокручивается относительно ядра под влиянием сил притяжения Юпитера. Сравнивая фотографии «Вояджера» и «Галилео», учёные пришли к выводу, что полный оборот внешней ледяной коры относительно недр спутника занимает не менее 12 000 лет.

Хребты

Две модели криовулканизма на Европе, в зависимости от толщины слоя океана

На Европе имеются протяжённые сдвоенные хребты; возможно, они образуются в результате нарастания льда вдоль кромок открывающихся и закрывающихся трещин.

Нередко встречаются и тройные хребты. Сначала в результате приливных деформаций в ледяном панцире образуется трещина, края которой разогревают окружающее пространство. Вязкий лёд внутренних слоёв расширяет трещину и поднимается вдоль неё к поверхности, загибая её края в стороны и вверх. Выход вязкого льда на поверхность образует центральный хребет, а загнутые края трещины – боковые хребты. Эти процессы могут сопровождаться разогревом, вплоть до плавления местных областей и возможных проявлений криовулканизма.

Lenticulae («веснушки»)

Крутой пик высотой 250 м и гладкое плато, расположенные в пределах Коннемарского хаоса

На поверхности были обнаружены тёмные «веснушки» (лат. lenticulae) – выпуклые и вогнутые образования, которые могли сформироваться в результате процессов, аналогичным лавовым излияниям (под действием внутренних сил «тёплый», мягкий лёд двигается от нижней части поверхностной коры вверх, а холодный лёд оседает, погружаясь вниз; это ещё одно из доказательств присутствия жидкого, тёплого океана под поверхностью). Вершины таких образований похожи на участки окрестных равнин. Это указывает на то, что «веснушки» сформировались при локальном подъёме этих равнин. Встречаются и более обширные тёмные пятна неправильной формы, образовавшиеся предположительно в результате расплавления поверхности под действием приливов океана либо в результате выхода вязкого льда на поверхность. Таким образом, по тёмным пятнам можно судить о химическом составе внутреннего океана и, возможно, прояснить в будущем вопрос о существовании в нём жизни.

Другие геологические структуры

Участок Коннемарского хаоса с «вмороженными льдинами» в искусственно усиленных цветах, на котором, вероятно, видны свидетельства возможного полного расплавления участков поверхности в прошлом. Видно, что льдины когда-то были единым целым, но затем разошлись и развернулись. Белые области – лучеобразные выбросы от ударного кратера Пуйл

На поверхности спутника есть протяжённые широкие полосы, покрытые рядами параллельных продольных борозд. Центр полос светлый, а края тёмные и размытые. Предположительно, полосы образовались в результате серии криовулканических извержений вдоль трещин. При этом тёмные края полос, возможно, сформировались в результате выброса на поверхность газа и осколков горных пород (т.е. имеется тектоническая активность пород, а это дополнительное тепло) я. Есть полосы и другого типа, которые, как полагают, образовались в результате «расхождения» двух поверхностных плит, с дальнейшим заполнением трещины веществом из недр спутника.

Рельеф некоторых участков поверхности указывает на то, что здесь лёд когда-то был расплавлен, и в воде плавали льдины и айсберги. Видно, что льдины (вмороженные ныне в ледяную поверхность) ранее были одним целым, но затем разошлись и повернулись. Некоторые участки с волнистой поверхностью образовались, вероятно, в результате процессов сжатия ледяного панциря.

Примечательная деталь рельефа Европы – ударный кратер Пуйл, центральная горка которого выше, чем кольцевой вал. Это может свидетельствовать о выходе вязкого льда или воды через отверстие, пробитое астероидом.

Подповерхностный океан

Две возможные модели внутреннего строения Европы

Вышеприведённые характеристики поверхности Европы прямо или косвенно свидетельствуют о существовании жидкого океана под ледяной корой. Большинство учёных предполагают, что он сформировался благодаря генерируемому приливами теплу. Нагревание вследствие радиоактивного распада, которое почти такое же, как и на Земле (на кг породы), не может достаточно сильно разогреть недра Европы, потому что спутник куда меньше. Поверхностная температура Европы в среднем около 110 К (—160° C; —260° F) на экваторе и всего 50 К (—220° C; —370° F) на полюсах, что придает поверхностному льду высокую прочность. Первым намёком на существование подповерхностного океана стали результаты теоретического изучения приливного разогрева (следствия эксцентриситета орбиты Европы и орбитального резонанса с остальными галилеевыми лунами). Когда космические аппараты «Вояджер» и «Галилео» получили снимки Европы (а второй ещё и измерил её магнитное поле), исследователи получили новые признаки наличия этого океана. Наиболее яркий пример – «хаотические области», часто встречающиеся на поверхности Европы, которые некоторые учёные интерпретируют как места, где подповерхностный океан когда-то растопил ледяную корку. Но эта интерпретация весьма спорная. Большинство планетологов, изучающих Европу, склоняются к модели «толстого льда», в которой океан редко (если это вообще случалось) непосредственно выходил на современную поверхность. Оценки толщины ледяной оболочки варьируют от нескольких километров до десятков километров.

Лучшим доказательством модели «толстого льда» является изучение крупных кратеров Европы. Крупнейшие из них окружены концентрическими кольцами и имеют плоское дно. Вероятно, покрывающий его лёд относительно свежий – он появился после удара, пробившего ледяную кору. На основании этого и расчётного количества тепла, произведённого приливами, можно рассчитать, что толщина коры из твёрдого льда составляет примерно 10—30 км, включая податливый слой из «тёплого льда». Тогда глубина жидкого подповерхностного океана может достигать около 100 км, а его объём – 3·1018 м3, что вдвое больше объёма мирового океана Земли.

Модель «тонкого льда» предполагает, что толщина ледяной оболочки Европы может составлять всего несколько километров. Однако большинство учёных пришли к заключению, что данная модель рассматривает только самые верхние слои коры Европы, упругие и подвижные из-за воздействия приливов Юпитера, а не ледяную кору в целом. Одним из примеров является анализ на выгиб, в котором кора спутника моделируется как плоскость или сфера, утяжелённая и согнутая под влиянием большой нагрузки. Данная модель предполагает, что толщина внешней упругой ледяной корки может составлять всего 200 м, а это означает постоянные контакты подповерхностной жидкости с поверхностью через открытые борозды, что вызывает формирование хаотических областей. (вода достаточно теплая) я