Низкая гравитация на океанических мирах может помочь поддерживать циркуляцию теплой воды

Свежие (с 2018 г.) курганы лавы (черные с желтыми пятнами гидротермальных минералов) на дне кратера КСМ (январь 2023 г.). ROV Джейсон готовится вставить датчик температуры во вновь образовавшееся гидротермальное жерло (область, окрашенная желтым цветом, внизу справа) внутри недавно извергнутой лавы. (©Океанографический институт Вудс-Хоул)

В новом исследовании, проведенном членами команды из Калифорнийского университета в Санта-Крузе, использовалась сложная компьютерная модель для изучения того, как влияние низкой гравитации, наблюдаемой в океанских мирах в нашей внешней солнечной системе, может влиять на потоки воды и тепла под их морским дном.

Работа проводилась в рамках межинституциональной программы НАСА «Исследование океанских миров», возглавляемой старшим научным сотрудником Океанографического института Вудс-Хоул (WHOI) Крисом Германом. Это пролило новый свет на возможность возникновения гидротермальных выбросов на морском дне, где обитают некоторые из самых примитивных форм жизни на Земле, на других лунах «Мира Океана», вращающихся вокруг гигантских планет во внешней Солнечной системе.

Рука-манипулятор ROV Jason использует изобарический газонепроницаемый пробоотборник (IGT) для сбора теплых (~ 40°C) жерловых жидкостей на подводной горе Камаэуаканалоа (KSM), январь 2023 г. (© Океанографический институт Вудс-Хоул)

Наша Солнечная система содержит множество «океанических миров», планет и спутников, на которых в настоящее время или в прошлом был жидкий океан. Некоторые из этих океанских миров могут выделять достаточно тепла внутри, чтобы вызвать гидротермальную циркуляцию — вода, которая течет на морское дно, циркулирует, нагревается и вытекает обратно. На Земле эти потоки могут переносить тепло и химические вещества, некоторые из которых имеют ключевое значение для поддержания пышных экосистем морского дна. Эти системы «камень-тепло-жидкость» были обнаружены на морском дне Земли в 1970-х годах, и многие ученые полагают, что они могут существовать где-то еще в нашей Солнечной системе. Эта тема представляет большой интерес, особенно потому, что существует потенциал для поддержания жизни. Исследовательская группа Калифорнийского университета в Санта-Крус в сотрудничестве с коллегами из Космического института науки «Голубой мрамор», WHOI и Нантского университета опубликовала свое новое исследование в «Журнале геофизических исследований: Планеты», показывающее, как гидротермальные системы, подобные тем, которые наблюдаются на Земле, могут отличаться в условиях более низкой гравитации других океанских миров.

Многие люди слышали о высокотемпературных источниках на морском дне Земли, иногда называемых «черными курильщиками», где жидкости, нагретые выше 300 °C (намного выше, чем точка кипения воды на уровне моря на Земле), выбрасываются в океан, откладывая металлические руды. и помощь в поддержке экзотической жизни. В то время как эти высокотемпературные системы обусловлены в основном вулканической активностью под морским дном, гораздо больший объем жидкости течет в морское дно Земли и из него при более низких температурах, что обусловлено главным образом «фоновым» охлаждением планеты.

«Поток воды через низкотемпературные вентиляции эквивалентен по количеству сбрасываемой воды всем рекам и ручьям на Земле и отвечает за около четверти потерь тепла на Земле», — сказал Эндрю Фишер, ведущий автор исследования и выдающийся профессор наук о Земле и планетах (EPS) в Калифорнийском университете в Санта-Крус. «Весь объем океана выкачивается со дна моря примерно каждые полмиллиона лет».

«Многие предыдущие исследования гидротермальной циркуляции на Европе и Энцеладе (спутниках Юпитера и Сатурна) рассматривали жидкости с более высокой температурой, а карикатуры и другие рисунки часто иллюстрируют системы на их морском дне, которые выглядят как черные курильщики на Земле», — объяснила Донна Блэкман, исследователь EPS. исследователь из Калифорнийского университета в Санта-Крус и третий автор новой статьи. «Потоки с более низкой температурой, по крайней мере, столь же вероятны, если не более вероятны».

ВИДЕО

Кристин Дикерсон, второй автор статьи и доктор философии. Кандидат EPS в Калифорнийском университете в Санта-Крус объяснил основу исследования: «Мы рассмотрели систему циркуляции морской воды под морским дном Земли, которая изучалась в течение многих лет. Она была обнаружена глубоко в северо-западной части Тихого океана, куда через одна подводная гора (потухший вулкан) проходит 50 км, а затем вытекает через другую подводную гору». Эта вода собирает тепло по мере своего течения и выходит теплее, чем когда она поступала, и с совершенно другим химическим составом. Исследователи использовали компьютерную модель, разработанную для этой системы Земли, изменяя силу гравитации и изучая, как потоки будут меняться в широком диапазоне условий (например, различное количество тепла, свойства горных пород, глубина циркуляции жидкости).

Поток с одной подводной горы на другую обусловлен плавучестью, поскольку вода становится менее плотной при нагревании и более плотной при охлаждении. Различия в плотности создают различия в давлении жидкости в породе, и система поддерживается самими потоками. «Мы называем это гидротермальным сифоном», — сказал Фишер, — «и он может работать до тех пор, пока есть запас тепла и свойства горных пород продолжают обеспечивать циркуляцию». Некоторые океанские миры нагреваются сильными приливами, которые могут генерировать тепло, поскольку океанский мир изгибается во время эксцентричной орбиты вокруг гигантской планеты.

Новая статья показывает, что, когда гравитация ниже, чем на Земле, существует меньшая сила плавучести, вызывающая поток на морское дно и обратно - это имеет тенденцию замедлять циркуляцию воды и отводить тепло. В то же время меньшая плавучесть при более низкой силе тяжести также приводит к меньшему вторичному перемешиванию под морским дном - процессу, который имеет тенденцию расходовать энергию и, таким образом, уменьшать поток между обнажениями.

Одним из интересных результатов моделирования, представленного в новой статье, является то, что в условиях очень низкой гравитации (например, на морском дне Энцелада, небольшого спутника Сатурна) циркуляция может продолжаться при низких и умеренных температурах в течение миллионов или миллиардов лет, т.е. на протяжении всей жизни Солнечной системы. Это могло бы помочь объяснить, как небольшие океанские миры, гравитация которых намного ниже, чем на Земле, могут иметь долгоживущие системы циркуляции жидкости под морским дном: низкая эффективность отвода тепла может привести к значительному долголетию. Кроме того, некоторые симуляции привели к тому, что температура жерловой жидкости достигала 150 ° C, что чуть выше верхнего предела жизни на Земле, несмотря на относительно неглубокую циркуляцию под морским дном. В целом, эти симуляции показывают, что низкая гравитация значительно меняет температуру и скорость потока и, следовательно, вероятно, влияет на химический состав выбрасываемых жидкостей по сравнению с тем, что можно было бы обнаружить на Земле.

Ученые-планетологи обращаются к наблюдениям спутниковых миссий, чтобы определить, какие условия существуют или возможны на океанских мирах. Команда авторов новой статьи будет присутствовать на запуске космического корабля Europa Clipper на мысе Канаверал, штат Флорида, позднее этой осенью вместе с коллегами, участвующими в проекте «Исследование океанских миров».

По словам Германа из WHOI, который также является соавтором статьи: «Важным результатом этого исследования является то, что оно предполагает, что низкотемпературные (не слишком горячие для жизни) гидротермальные системы могли поддерживаться в океанских мирах за пределами Земли в течение длительного времени. дольше, чем потребовалось, чтобы подобная жизнь впервые закрепилась на Земле. Таким образом, океанские миры во внешней Солнечной системе также могут быть обитаемы и, возможно, содержать жизнь».