СКРЫТЫЙ ОКЕАН ЕВРОПЫ

Перевод (с сокращениями и дополнениями) статьи "The hidden ocean of Europa"

В течение столетий в самые мощные инструменты астрономы видели Европу только как крохотное пятнышко света. В 1960-е года с помощью спектроскопии было показано, что Европа покрыта водяным льдом. При температуре поверхности 110К у экватора и около 50К у полюсов, этот лед должен быть твердым, как камень. До пролета космических аппаратов у исследователей не было способа узнать о том, что творится в недрах Европы. Но за последние 20 лет (и особенно в 1990-х годах) изображения, полученные космическими аппаратами, показали молодую и чрезвычайно деформированную поверхность. Появилась гипотеза, что в недрах Европы находится океан жидкой воды.
Фотографии, полученные Вояджерами в 1979 году, показали гладкий шар, на котором яркие равнины были покрыты перекрещенными полосами и горными хребтами.

(Большие иллюстрации открываются в новом окне при нажатии на превью)

Исследователи заметили, что некоторые темные клиновидные полосы имеют противостоящие стороны, которые идеально подходят друг к другу. Каким-то образом яркая ледяная поверхность была расколота, и образовавшуюся пустоту заполнил достаточно пластичный (а может, и жидкий) темный материал. Эти особенности напоминали заполненные жидкостью трещины между плавающими льдинами земных морей. Кроме того, Вояджеры обнаружили, что на Европе очень мало больших ударных кратеров. Из подсчета количества кратеров больше 10 км Шумейкер вычислил, что поверхность Европы имеет возраст около 1,5 миллиона лет. Подсчитывая более мелкие кратеры, пришли к выводу, что поверхность Европы имеет возраст около 30 миллионов лет. В любом случае по геологическим меркам это практически "вчера".
Шумейкер предположил, что большие кратеры за длительный период времени выровнялись, если недра Европы остались теплыми. Спутник мог бы быть активным даже сегодня. Но разрешение снимков Вояджеров было слишком грубым для отображения мелких кратеров, и гипотеза повисла в воздухе. Противники этой гипотезы спрашивали: как такая маленькая луна может быть активной? Небесные тела подобных размеров (такие, как земная Луна) являются инертными каменными шарами, утратившими большую часть своего внутреннего тепла, полученного путем распада радиоактивных элементов в их недрах. По всем расчетам, Европа должна быть холодной и мертвой.
Тогда исследователи предложили другой, более экзотический способ разогреть недра Европы - такой, как рассеяние приливной энергии. Из четырех галилеевых спутников Юпитера трое находятся в орбитальном резонансе: в то время, как Ганимед делает один оборот вокруг Юпитера, Европа делает два, а Ио - четыре. Взаимное гравитационное взаимодействие делает их орбиты эллиптическими, что в свою очередь приводит к периодическому изменению величины постоянных крупномасштабных приливов, вызываемых Юпитером. Этот эффект максимален для Ио, которая ближе всего к Юпитеру. Температура в ее недрах приближается к точке плавления скалистых пород, вызывая непрерывные вулканические извержения. Европа, находящаяся дальше, нагрета менее сильно. Однако вычисления показывают, что ее недра должны прогреться достаточно, чтобы лед ниже глубины 20-30 км расплавился, формируя глобальный подповерхностный океан.

После Вояджеров в 1995 году в систему Юпитера прибыл орбитальный аппарат Галилео. Траектория его движения позволила ему несколько раз сильно сблизиться со всеми галилеевыми спутниками, в том числе с Европой. Во время каждого пролета мимо спутника инженеры тщательно отслеживали радиосигнал с орбитального аппарата, чтобы измерить поле тяготения Европы. Любое вращение или приливное искажение делает гравитационное поле не сферическим. Нерегулярная сила вызывает небольшие изменения в частоте сигнала Галилео, из них исследователи определили степень сжатия Европы и, в свою очередь, ее внутреннее распределение масс. Так как средняя плотность Европы 3,04 г/куб.см, она состоит в основном из каменных пород. Данные гравиметрии показывают, что скальные породы располагаются между небольшим металлическим ядром и внешней ледяной корой. Толщина ледяной коры составляет от 80 до 170 км, вероятнее всего около 100 км.

Значительная ее часть может быть расплавлена. Но гравиметрические данные Галилео не могут сказать, является ли этот слой полностью твердым или частично находится в жидком состоянии. Рассматривая этот вопрос, мы должны обратиться к другим данным, полученным Галилео, и заняться анализом изображений.
Поверхность Европы - сложное переплетение разломов, горных хребтов, полос и пятен. Разломы, по всей видимости, сформировались, когда приливные силы искажали ледяную поверхность, пока та не трескалась. Горные хребты также вездесущи. Они режут поверхность парами, оставляя узкую долину в центре. Вероятные модели их образования предсказывают подъем жидкой воды или теплого пластичного льда по разломам. Водяная или ледяная "магма", возможно, выдавила твердый поверхностный лед вверх, деформируя его в двойной горный хребет. Или же ледяной жидкий раствор (видимо, имелась в виду смесь жидкой воды со льдом - шуга) прорывался на поверхность, строя каждый горный хребет.
Множество параллельных горных хребтов наводит на мысль, что процессы горообразования могут происходить неоднократно и повторяться рядом друг с другом. Самые широкие системы хребтов обычно расположены между темных красноватых, с диффузными краями, полос. Независимо от механизма формирования, горные хребты указывают на динамичную геологическую историю и теплые недра.
Изучая кажущийся случайным узор разломов и пятен на Европе, ученые пытаются понять, какие силы ответственны за ее искажение. Приливные силы создают достаточно характерный узор, и часть самых новых трещин и хребтов соответствуют этому образцу. Но возможно, с Европой происходило что-то еще. Это странно, но кажется, что на поверхность в течение долгого времени ложился узор, вызванный напряжением. Фактически, этот узор можно объяснить, если предположить, что поверхность Европы вращалась быстрее, чем ее недра. Большинство естественных спутников в Солнечной системе вращаются синхронно своему орбитальному движению, будучи повернутыми к планете только одной стороной. Но если бы ледяная поверхность Европы была бы отделена от скалистой мантии "скользящим слоем", гравитация Юпитера заставила бы поверхность вращаться чуть быстрее скорости синхронного вращения. Такую ситуацию легко мог бы обеспечить подповерхностный океан, позволяя плавающей ледяной коре вращаться несинхронно. Сейчас невозможно сказать, продолжается ли несинхронное вращение сейчас или оно закончилось в древности. Ученые сравнивают расположение деталей поверхности на снимках, сделанных Вояджерами и Галилео, и не находят изменений за 20-летний период. Относительно внутренних слоев поверхность не может вращаться быстрее, чем один оборот за 10000 лет.
Камеры Галилео также изучали темные клинообразные полосы. Недавний анализ подтвердил, что противостоящие стороны этих полос совершенно подобны. Темный материал между ними является полосатым, обычно имея центральное углубление и некую степень симметрии. Эти полосы могут быть эквивалентами зон спреддинга (расхождения плит земной коры и формирования новой коры). Если это так, то подповерхностный лед должен быть подвижным и теплым, чтобы сформировать такие структуры. Но тектоника плит - игра с нулевым итогом: если некий материал поднимается из недр, другой материал должен опускаться. На Земле это опускание происходит в зонах субдукции. Однако такие зоны на Европе найдены не были.

Загадочный пятнистый ландшафт может быть ключом к недрам Европы. Изображения, полученные Галилео, показывают круглые и эллиптические пятна, которые группа обработки изображений назвала "веснушками". Некоторые из них - купола, другие - ямы, некоторые - гладкие темные пятна, а некоторые имеют грубую, сложную структуру. Вершины куполов подобны частям старых всхолмленных равнин, говоря нам о том, что купола сформировались, будучи выдавлены снизу вверх. Разнообразие "веснушек" можно объяснить, если европейский лед вел себя как "лавовая лампа", каплями теплого льда поднимающийся сквозь более холодный поверхностный лед. В этом случае купола образовались тогда, когда теплые капли нажимали снизу и выдавливали лед над поверхностью.
Области с грубой структурой могут быть местами, где капли разрушались и разрушали равнины. Гладкие темные участки могут быть залиты талой водой, принесенной каплями теплого льда и снова быстро замерзшей.
Капли теплого льда образуются, если ледяные блоки Европы плавают над жидкой водой. Рассеяние приливной энергии нагревает основание блока, где температура близка к температуре таяния льда, и лед наиболее пластичен. Теплый лед менее плотен, чем холодный лед, лежащий выше него, и стремится подняться вверх. Если ледяной блок достаточно толстый, архимедова сила может преодолеть вязкое сопротивление (которое уменьшается с глубиной), и блок потечет вверх. Как воск, поднимающийся в "лавовой лампе", теплый лед поднимается к поверхности, где может сформировать видимую "веснушку". Модели предполагают, что ледяной блок должен быть как минимум 20 км толщиной.
Кроме "веснушек", пятнистый ландшафт содержит самые захватывающие области рельефа Европы: зоны хаоса. В этих областях маленькие ледяные остатки ранее существовавших горных хребтов будто толкаются среди холмистой матрицы подобно айсбергам в море. Оригинальное расположение таких подобных айсбергу блоков может быть реконструировано как паззл, что и сделали исследователи для одной из таких областей, Conamara Chaos. Если эта область сформировалась, когда подповерхностная вода таяла сквозь ледяной блок и снова быстро замерзала, аналогия с айсбергом может быть полной. Другая возможность состоит в том, что одна или несколько колонн теплого льда нагрели поверхностный лед, создав мокрую смесь льда и жидкости, на которой взломанные и смещенные блоки льда могли свободно скользить. В любом случае существование хаотического рельефа говорит о теплых недрах и хотя бы о частичном таянии.

Немногие кратеры, которые все-таки находятся на поверхности Европы, позволяют независимо определить толщину ледяного покрова на этом спутнике. В отличие от чашеобразных или плоских ударных кратеров на других мирах, два наибольших ударных кратера Европы имеют центральный гладкий участок и систему концентрических колец. Взрывы, создавшие эти структуры, по-видимому, пробили твердый поверхностный лед и проникли в более мягкий слой, расположенный ниже. Поскольку этот мягкий слой был не способен принять форму кратера, растаявшая слякоть быстро заполнила его, втягивая поверхностный лед внутрь и ломая поверхность в концентрические кольца. Эти кольца - замороженный снимок камня, брошенного в воду - очень большого камня и очень глубокого водоема. По расчетам, глубина залегания "мягкого слоя" составляет около 20 км и даже больше - в хорошем соответствии с теорией приливного разогрева и моделью всплывающих капель теплого льда.

В дополнение к камере, космический аппарат Галилео нес спектрометр, работающий в близком инфракрасном диапазоне (инструмент NIMS), который проанализировал свет, отраженный поверхностью Европы. Как и ожидалось, NIMS обнаружил спектральные полосы водяного льда. Все же полосы искажены и асимметричны по форме - признак того, что лед содержит примеси (особенно в областях, которые кажутся темными и красноватыми на изображениях, полученных в видимом свете). Главный подозреваемый - это сульфат магния. Если это так, Европа содержит крупнейшие месторождения сульфата магния в Солнечной системе. Как вариант, там может быть серная кислота.
Поскольку соли бесцветны или белы, там должен присутствовать еще какой-то материал, окрашивающий лед в красноватый цвет. Состав этого загрязнителя пока неизвестен, хотя подозреваются соединения серы. Перед миссией Галилео некоторые исследователи предсказывали, что подледный океан Европы может быть крепко посолен (основываясь на том, что многие метеориты содержат соли). Поверхностный состав Европы может подсказать нам состав скрытого соленого океана.

Возможно, самый лучший индикатор внутреннего состояния Европы и лучший признак наличия жидкого океана был получен посредством магнитометра Галилео. Галилеевы спутники погружены в мощную магнитосферу Юпитера. Измерения в области, окружающей Европу, показали отклонения, связанные со спутником. Эти быстрые и систематические изменения нельзя объяснить с помощью внутреннего поля, индуцируемого динамо-механизмом, подобно тому, как это происходит на Земле. Вместо этого подповерхностный слой Европы должен вести себя как электрический проводник, отвечая на вариации магнитного поля Юпитера генерацией собственного поля. В этом сценарии внутренний проводник должен быть столь же проводящим, как соленая морская вода. Удивительно, но магнитометр обнаружил те же изменения около Каллисто - спутника с древней кратерированной поверхностью, не показывающего никаких признаков подледного океана. Также признаки собственного магнитного поля были обнаружены у Ганимеда. Возможно, все крупные ледяные спутники в Солнечной системы имеют соленые океаны в своих недрах, реликты их более теплого прошлого.

Согласие теории и наблюдений дает сильное самосогласованное доказательство наличия на Европе в настоящее время глобального океана. Но его существование строго не доказано. Теплый и пластичный подповерхностный лед может имитировать многие эффекты внутреннего океана. Важная проблема, такая как измерение толщины ледяного покрова, до сих пор не решена. Очевидно, следующим шагом должна стать отправка нового космического аппарата к Европе и выход на орбиту вокруг нее.

Европа в цифрах

Экваториальный радиус 1565 км (90% от лунного),
Масса 4,8 * 10 кг (0,653 лунных масс),
Средняя плотность 3040 кг/куб.м,
Орбитальное расстояние 671 000 км,
Орбитальный период 3,55 дней (вращение вокруг своей оси синхронизовано с орбитальным движением),
Эксцентриситет 0,0094
Наклонение орбиты к экваториальной плоскости Юпитера 0,47 градуса.

Юпитер

наверх

к оглавлению