Читать книгу В глубинах небесного океана. Научно-фантастическое рассуждение - Андрей Алексеевич Погребецкий - Страница 11

«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

В сентябре 2012 года группа учёных из Карлова университета (Прага, Чехия) на Европейском планетологическом конгрессе EPSC объявила, что области с относительно тонким ледяным щитом – довольно редкое и кратковременное явление: они зарастают всего за десятки тысяч лет.

Колебания формы Европы, связанные с приливами, заставляющие её то вытягиваться, то вновь скругляться

В конце 2008 года возникла гипотеза, что основная причина нагрева недр Европы, поддерживающего её океан жидким, – не вытянутость её орбиты, а наклон её оси. В результате него под действием приливного действия Юпитера возникают волны Россби, которые движутся очень медленно (по несколько километров в день), но могут нести значительную кинетическую энергию. Наклон оси Европы мал и точно неизвестен, но есть основания думать, что он достигает 0,1°. В таком случае энергия этих волн достигает 7,3·10¹⁷ Дж, что в 2000 раз больше, чем у основных приливных деформаций. Диссипация этой энергии может быть основным источником тепла для океана Европы.

КА «Галилео» обнаружил, что у Европы имеется слабый магнитный момент, который вызван изменениями внешнего магнитного поля (поскольку поле Юпитера в разных частях орбиты спутника различно). Индукция магнитного поля Европы на её магнитном экваторе – приблизительно 120 нТл. Это в 6 раз меньше, чем у Ганимеда, и в 6 раз больше, чем у Каллисто [68]. Согласно расчётам, жидкий слой на этих спутниках начинается глубже и имеет температуру существенно ниже нуля (при этом вода остаётся в жидком состоянии благодаря высокому давлению). Существование переменного магнитного поля требует слоя высокоэлектропроводного материала под поверхностью спутника, что и служит лишним подтверждением большого подповерхностного океана из солёной воды в жидком состоянии.

Спектральный анализ тёмных линий и пятен на поверхности показал наличие солей, в частности, сульфата магния («английская соль»). Красноватый оттенок позволяет предположить наличие также соединений железа и серы. По-видимому, они содержатся в океане Европы и исторгаются на поверхность через расщелины, после чего застывают. (активное движение воды) _я. Кроме того, обнаружены следы перекиси водорода и сильных кислот (например, есть возможность того, что на спутнике имеется гидрат серной кислоты).

В марте 2013 года учёные из Калифорнийского технологического института выдвинули гипотезу, что подлёдный океан Европы не изолирован от окружающей среды и обменивается газами и минералами с залежами льда на поверхности, что говорит об относительно богатом химическом составе вод спутника. Это также может означать, что в океане может накапливаться энергия, что серьёзно увеличивает шансы на зарождение в нём жизни. К такому выводу ученые пришли, изучив инфракрасный спектр Европы (в интервале длин волн 1,4—2,4 мкм) с помощью спектроскопа OSIRIS гавайской обсерватории Кека. Разрешение полученных спектрограмм примерно в 40 раз выше, чем у спектрограмм, полученных инфракрасным спектрометром NIMS зонда «Галилео» в конце 1990-х годов. Это открытие означает, что контактные исследования океана Европы могут быть технологически намного упрощены – вместо бурения ледяной коры вглубь на десятки километров достаточно (как и в случае со спутником Сатурна Энцеладом) просто взять пробу с той части поверхности, которая контактирует с океаном. Орбитальный зонд Европейского космического агентства JUICE, запланированный к запуску в 2022 году, в декабре 2030 года совершит два облёта Европы, за которые просканирует поверхность спутника на глубину до 9 км и проведёт спектральный анализ выбранных участков поверхности.

Над южной полярной областью Европы зафиксированы признаки выбросов водяного пара. Вероятно, это результат действия гейзеров, бьющих из трещин её ледяной коры. Согласно расчётам, пар вылетает из них со скоростью ~700 м/с на высоту до 200 км, после чего падает обратно. Активность гейзеров максимальна во время наибольшего отдаления Европы от Юпитера. Открытие сделано по наблюдениям телескопа «Хаббл», сделанным в декабре 2012 года. На снимках, сделанных в другое время, признаков гейзеров нет: по-видимому, они действуют редко. С каких глубин происходят выбросы, неизвестно; возможно, что они не имеют отношения к недрам Европы и возникают от трения пластов льда друг о друга. Кроме Европы, подобные гейзеры известны на Энцеладе. Но, в отличие от гейзеров Энцелада, гейзеры Европы выбрасывают чистый водяной пар без примеси льда и пыли. Зафиксированная мощность гейзеров Европы достигала 5 тонн в секунду, что в 25 раз больше, чем на Энцеладе.

.«Хаббл» суммарно 10 раз фиксировал проход Европы по диску Юпитера, и в 3 из них были обнаружены водные шлейфы высотой 160—200 км в районе Южного полюса спутника. Остается невыясненными объемы выбросов и происхождение гейзеров – либо они извергаются наружу непосредственно из подледного океана Европы, либо образуются в полыньях в многокилометровой коре спутника, которые изолированы от основного океана.

Атмосфера

Магнитное поле Европы в поле Юпитера (вид на ведущее полушарие спутника). Красная полоса – направление движения «Галилео» и одновременно экватор Европы. Видно, что магнитные полюса Европы сильно отклонены от географических (причём их положение постоянно меняется в зависимости от направления внешнего поля)

Наблюдения при помощи спектрографа высокого разрешения Годдарда, входившего в состав инструментов космического телескопа «Хаббл», в 1995 году выявили, что разреженная атмосфера Европы состоит в основном из молекулярного кислорода (O₂), образовавшегося в результате разложения льда на водород и кислород под действием солнечной радиации и другого жёсткого излучения (лёгкий водород при столь низком тяготении улетучивается в космос). Кроме того, там обнаружены линии атомарного кислорода и водорода. Атмосферное давление на поверхности Европы примерно равно 0,1 мкПа (но не более одного микропаскаля), или в 1012 раз ниже земного. Наблюдения ультрафиолетового спектрометра «Галилео» и телескопа Хаббла показали, что интегральная плотность атмосферы Европы составляет всего 1018—1019 молекул на квадратный метр. В 1997 году космический аппарат «Галилео» подтвердил наличие на Европе разреженной ионосферы (верхний слой заряженных частиц в атмосфере), созданной солнечной радиацией и заряженными частицами из магнитосферы Юпитера. Атмосфера Европы очень изменчива: её плотность заметно меняется в зависимости от положения на местности и времени наблюдений.

Наблюдения показали, что часть молекулярного кислорода, произведённого радиолизом, всё-таки остаётся на поверхности. Существует предположение, что этот кислород может попасть в океан (благодаря геологическим явлениям, перемешивающим слои льда, а также через трещины) и там способствовать гипотетическим биологическим процессам. Согласно одной из оценок, за 0,5 млрд лет (предполагаемый максимальный возраст поверхностного льда Европы) концентрация кислорода в этом океане может достигнуть значений, сравнимых с его концентрацией в океанских глубинах Земли. По другим расчётам, для этого достаточно всего нескольких миллионов лет.

Кроме того, спектроскопическими методами в атмосфере Европы обнаружены атомы натрия и калия. Первого там в 25 раз больше, чем второго (в атмосфере Ио – в 10 раз, а в атмосфере Ганимеда он не обнаружен вовсе). Излучение натрия прослеживается до расстояния в 20 радиусов Европы. Вероятно, эти элементы берутся из хлоридов на ледяной поверхности спутника или принесены туда метеоритами.» 10

Информация о спутнике Европа достаточно полна, несколько хотелось бы развеять сомнения о наличии или отсутствии океана. А именно – со дна поднимаются газы, а значит вода достаточно подвижна и тепла, вместе с поднимающейся водой подымается осколки породы, что говорит о тектонической активности (которая также дает тепло), в пользу того, что это не лед соскабливает породу поднимая ее вверх, говорит следующее – вода выходит на поверхность практически чистой от примесей. Выше был указан такой фактор как, обеспечение магнитного поля жидким океаном, и опять же проворот ледяного панциря спутника и наконец заключительный факт теплой, жидкой воды – подмывания (темные пятна-веснушки) льда снизу жидкой водой.