Naukowcy lepiej zrozumieli, jak działają „lodowe wulkany” na mroźnych księżycach Układu Słonecznego
Badacze odtworzyli ekstremalne warunki panujące na mroźnych księżycach w Układzie Słonecznym i sprawdzili jak „lodowe wulkany” tam obecne wpływają na zmiany geologiczne tych ciał niebieskich.
.Lodowe księżyce obecne w Układzie Słonecznym pokryte są skorupą zamarzniętej wody, pod którą znajdują się ciekłe oceany. Podobnie jak lawa w wyniku aktywności wulkanicznej wpływa i zmienia powierzchnię Ziemi, woda przekształca mroźne naturalne satelity w procesie zwanym kriowulkanizmem.
Jak tłumaczą astronomowie, w środowisku kosmicznym o ciśnieniu bliskim zeru woda reaguje zupełnie inaczej niż na Ziemi. Jednocześnie ulega zarówno wrzeniu, jak i zamarzaniu. Aby zrozumieć, w jaki sposób to szczególne zachowanie może napędzać zmiany geologiczne na lodowych księżycach, naukowcy z University of Sheffield, Open University i Czech Academy of Sciences wykorzystali specjalnie skonstruowaną komorę niskociśnieniową, aby stworzyć warunki zbliżone do tych występujących na Europie i Enceladusie (lodowe księżyce w Układzie Słonecznym, Europa krąży wokół Jowisza, a Enceladus wokół Saturna). Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie Earth and Planetary Science Letters.
Oba lodowe księżyce, jak wskazują astronomowie mają zamarzniętą powierzchnię zewnętrzną. Na Enceladusie temperatura na równiku wynosi -193 stopni Celsjusza. Badacze zaobserwowali dowody na to, że ogromne strumienie pary wodnej i cząsteczek wody są uwalniane lub wyrzucane w przestrzeń kosmiczną co przypomina wyrzut materiału przez „lodowe wulkany”, jest to proces znany jako wybuchowy kriowulkanizm (explosive cryovolcanism).
Istnieje pokrewny proces zwany kriowulkanizmem wypływowym (effusive cryovolcanism), w którym ciecz wypływa spokojniej na powierzchnię lodowego księżyca – podobnie jak strumienie lawy występujące na Ziemi – jednak taka aktywność jest trudna do wykrycia. Naukowcy chcieli sprawdzić, czy możliwe jest zidentyfikowanie, w jaki sposób dochodzi do tych spokojniejszych aktywności, badając zachowanie wody w środowisku bliskim próżni.
Wykorzystali do tego komorę niskociśnieniową – „George”, Large Dirty Mars Chamber, znajdującą się w Open University. Po raz pierwszy naukowcy byli w stanie przeprowadzić eksperymenty ze stosunkowo dużymi ilościami wody i uchwycić to, co się z nią dzieje.
Gdy ciśnienie wewnątrz komory zostało obniżone, woda zaczęła wrzeć, mimo że była zimna. Wytworzyło to parę, która przeniosła ciepło z dala od wody, a ta ochłodziła się, osiągając punkt zamarzania – i powstały pływające kawałki lodu, które z czasem zaczęły się powiększać. W ciągu kilku minut większość wody została pokryta cienką warstwą lodu.
Poniżej lodowej skoryupy, ciekła woda nadal się gotowała, a bąbelki przebijały się lub deformowały warstwę lodu, umożliwiając wypływanie jej przez pęknięcia w powierzchni. Wcześniejsze badania obejmujące znacznie mniejsze ilości wody sugerowały, że gruby lód tworzył się i szybko uszczelniał wodę, aby zapobiec dalszemu wrzeniu.
„Tworząca się warstwa lodu jest słaba i pełna dziur i pęcherzyków. Gdyby lód był mocniejszy, prawdopodobnie uszczelniłby ciekłą wodę pod nim i zapobiegłby dalszemu wrzeniu. Ale nasze eksperymenty pokazują, że gdy woda wrze, a uwalniany gaz zostaje uwięziony pod lodową skorupą. Ciśnienie rośnie, lód pęka, gaz ulatnia się, a ciekła woda może na krótko przedostać się przez pęknięcia na powierzchnię – tylko po to, by ponownie zostać wystawiona na działanie środowiska o niskim ciśnieniu. Gdy tylko pojawiają się nowe pęknięcia, woda ponownie zaczyna wrzeć i cały proces się powtarza, co przypomina nieco lodowe wulkany” – mówi Frances Butcher z University of Sheffield.
„Odkryliśmy, że proces zamarzania wody pod bardzo niskim ciśnieniem jest znacznie bardziej złożony niż wcześniej sądzono. W takich warunkach szybko wrze nawet w niskich temperaturach, ponieważ nie jest stabilna pod niskim ciśnieniem. Jednocześnie paruje i zaczyna zamarzać, napędzana intensywnym efektem chłodzenia spowodowanym samym parowaniem. Tworząca się skorupa lodowa jest wielokrotnie zakłócana przez pęcherzyki pary, które unoszą i przełamują lód, znacznie spowalniając, komplikując i przedłużając proces zamarzania” – twierdzi Petr Broz z Czech Academy of Science.
Naukowcy mają nadzieję, że badania pomogą lepiej zrozumieć „lodowe wulkany” nie tylko na mroźnych księżycach, ale także na innych ciałach niebieskich w Układzie Słonecznym. Zaobserwowany przez naukowców proces wznoszenia się pęcherzyków i deformacji pokrywy lodowej spowodował powstanie nierównej skorupy z wypukłościami i zagłębieniami, co może tłumaczyć wygląd powierzchni tych ciał niebeiskich.
.„Te nieregularności topograficzne – spowodowane przez uwięzioną parę pod lodem – mogą pozostawiać wyraźne ślady, które mogą zostać wykryte przez orbitujące statki kosmiczne, na przykład przez te wyposażone w radary, co może być potencjalnie nowym sposobem identyfikacji aktywności kriowulkanicznej. Może to dostarczyć cennych wskazówek do planowania przyszłych misji do tych odległych światów – i pomóc nam lepiej zrozumieć wciąż tajemniczy proces kriowulkanizmu” – podsumowuje Manish Patel z Open University.
Oprac. EG
