Значительная часть ледяной коры спутника Юпитера Европы может образоваться из ледяных кристаллов, формирующихся в толще переохлажденной воды под ледяным покровом.
Сростки ледяных кристаллов (шуга), образовавшиеся в результате «перевернутого снегопада» подо льдом антарктических морей. / © helenglazer.com
Спутник Юпитера Европа — вероятно, самое интересное для астробиологов небесное тело Солнечной системы. Европа немного меньше земной Луны, но в отличие от нее, обладает поверхностью из водяного льда, под которой скрывается океан жидкой воды глубиной около ста километров.
Наличие океана подо льдом Европы можно считать установленным достаточно надежно. На поверхности почти отсутствуют метеоритные кратеры, зато на ней в изобилии видны трещины, разломы и регионы «хаотического ландшафта», состоящие из раздробленных, перемешанных и смерзшихся ледяных блоков.
Недра Европы получают мощный приливный разогрев (как у соседнего спутника Ио, хотя и в меньшей степени), а значит, на океаническом дне должны извергаться вулканы, снабжающие океан питательными веществами и источниками энергии — необходимыми условиями обитаемости.
На поверхности Европы царит мороз от минус 160 до минус 220 градусов, и поэтому толщина ледяной скорлупы составляет не меньше нескольких километров. Исследование подледного океана будет весьма непростой задачей, и на первом этапе ученые собираются отправить в систему Юпитера аппарат Europa Clipper, который изучит Европу и другие спутники Юпитера путем многочисленных близких пролетов.
Одной из его целей станет изучение ледяной оболочки Европы с помощью радара. Возможности этого метода довольно существенно зависят от состава льда. Примесь соли затруднит проникновение радиоволн, а если оболочка не очень толстая, и состоит из чистого льда, — возможно, удастся просветить ее насквозь.
В недавнем исследовании ученые из Техасского Университета под руководством Натали Вольфенбаргер (Natalie S. Wolfenbarger) предположили, что оболочка может содержать меньше солей, чем предполагалось, и причиной тому — подводный снег, который в океане Европы может идти снизу вверх.
На Земле ледяной покров над морями растет в основном за счет намерзания воды снизу, на границе льда и воды. В антарктических морях был замечен еще один механизм, увеличивающий толщину льда — «снег» из переохлажденной воды, скапливающийся подо льдом.
Какие явления могут вызывать такой подводный «снегопад»? Температура замерзания воды понижается под давлением — примерно на градус за каждые 130 атмосфер. В земных океанах это соответствует увеличению глубины на 1300 метров, а подо льдом Европы — примерно на 10 километров. На дне Марианской впадины и океана Европы давления почти одинаковы – глубина первой в десять раз меньше, но гравитация на Земле в семь раз больше, чем на Европе. Поэтому соленая вода на самом дне замерзает при температуре почти на десять градусов ниже ноля.
Кроме того, вода подвержена адиабатическому разогреву и охлаждению — изменению температуры при скачках давления и отсутствии теплообмена с окружающей средой. Благодаря меньшей сжимаемости ее температура изменяется не так сильно, как у воздуха в насосах и компрессорах, но при больших изменениях давления этот процесс становится заметным: коэффициент составляет примерно один градус на 400 атмосфер (4 километра на Земле, 30 километров на Европе).
Большие объемы воды, всплывая или погружаясь, не успевают перемешаться с окружающими водами и изменяют свою температуру, а вода, поднимающаяся с большой глубины, может оказаться переохлажденной сразу по двум причинам: за счет адиабатического охлаждения при декомпрессии, и исходной температуры, если она была ниже точки замерзания у поверхности. Часть переохлажденной воды замерзает, образуя очень чистый игольчатый лед — шугу. Этот лед всплывает и присоединяется к ледяной толще у поверхности.
Ученые показали, что ледяная кора, образующаяся при равномерном замерзании, например за счет постепенного остывания недр спутника, будет состоять в основном из намерзшего льда. Если же ледяная оболочка подвержена истончениям, например под действием тектоники, вулканических извержений или неравномерности солнечного прогрева, то новый лед в истонченной области будет образовываться за счет «перевернутого снегопада».
На Европе ледяной покров очень динамичен. Помимо прочего, он несколько раз целиком переворачивался, скользя по океану, и экваториальные области с чуть более мощным солнечным прогревом и тонким льдом оказывались у полюсов. Поэтому «подводный снегопад» может вносить значительный вклад в образование нового льда.
Таким образом, часть ледяной оболочки Европы может содержать во много раз меньше солей, чем предполагалось ранее. Это усложняет задачу ученых: с одной стороны, чистый лед проще «просветить» радаром на большую глубину, а с другой — содержание солей на поверхности Европы высоко. Оно может быть простым следствием сублимации льда с поверхности, а может и отражать состав льда, образовавшегося при прямом замерзании воды, поднявшейся к поверхности в трещинах и хаотических ландшафтах.
Ледяная скорлупа Европы, скорее всего, очень неоднородна — где-то толстая, где-то тонкая, где-то соленая, а где-то чистая — и для детального ее изучения могут понадобиться более мощные и гибкие радары. С другой стороны, это облегчает работу будущих астробиологов: бурные процессы в ледяной коре могут транспортировать недавно замерзшую воду из океана к самой поверхности, где ее образцы гораздо легче изучать.
