Die Analyse des Gravitationsfeldes von Enceladus weist auch auf das Vorhandensein von flüssigem Wasser hin • Ivan Lawrence • Wissenschaftsnachrichten zu den "Elementen" • Astronomie, Weltraumforschung

Die Analyse des Gravitationsfeldes von Enceladus weist auch auf das Vorhandensein von flüssigem Wasser hin.

Abb. 1. Die Oberfläche von Enceladus weist Spuren der jüngsten tektonischen Aktivität auf. Das Bild des Gegenteils der Saturnhemisphären von Enceladus besteht aus 21 Fotografien, die am 14. Juli 2005 von einer Engwinkelkamera der Cassini-Sonde aufgenommen wurden. Dieses multispektrale Mosaik (siehe auch Falschfarben) wurde in verschiedenen Teilen des Spektrums erhalten – von Ultraviolett bis Infrarot, mit einer Auflösung von 350 bis 67 Metern pro Pixel von 61 300 bis 11 100 km von Enceladus. Dank dieser "Tigerstreifen" (auf dem Foto – blau) – vier Fehler in der Nähe des Südpols. Unterschiede in der Farbe erklären sich durch die Struktur der Oberfläche: die Wände der Verwerfungen sind mit glattem, grobkörnigem Eis bedeckt, und die übrige, flache Oberfläche von Enceladus ist mit einer pulverigen Gesteinsschicht bedeckt. In den sichtbaren Farben ist Enceladus fast vollständig weiß. Fotos von en.wikipedia.org

Die Analyse der Flugbahnen von drei nahe (weniger als 500 km über der Oberfläche) Spannweiten der automatischen Forschungsstation Cassini über den Saturn-Satelliten Enceladus in den Jahren 2010-2012 lieferte neue Argumente für die Existenz eines Ozeans unter dem Eis. Die Geschwindigkeit der Station während der Spannen, überwacht durch die Dopplerverschiebung ihres Sendersignals, wurde mit einer Genauigkeit von 90 um / s gemessen, wodurch es möglich wurde, die Abweichungen des Enceladus-Gravitationsfeldes vom Ideal zu berechnen.Diese Abweichungen erklären sich am besten durch das Vorhandensein einer 10 km dicken Schicht flüssigen Wassers zwischen dem Mantel und dem Kern in der Nähe des Südpols.

Saturns Satellit Enceladus erregte 2005 die Aufmerksamkeit von Forschern, als die automatische Forschungsstation Cassini in der Nähe von Saturn eintraf. Da Enceladus sehr klein ist – sein Durchmesser beträgt nur 500 km – und besteht aus einer Eisschale und einem Steinkern mit einem Radius von etwa zwei Dritteln des Satellitenradius (nachgewiesen durch eine Dichte von 1,61 g / cm)3), glaubte man, dass es aus geologischer Sicht kaum von Interesse sein könnte: Denn je kleiner der Durchmesser eines Himmelskörpers ist, desto schneller kühlt es ab. Und wenn sich sogar der All-Large Big Moon auf den gegenwärtigen Moment abgekühlt hat, dann sollten die Körper von Enceladus so kalt und tot sein, es sei denn, einige wärmende Faktoren wirken auf ihre Tiefen. Entgegen den Erwartungen erwies sich Enceladus jedoch aus der Sicht der Astrobiologie als geologisch aktiver und vielversprechender Satellit. Verschiedene Beweise sprechen dafür, dass sich unter der Eiskruste des Satelliten trotz seiner geringen Größe ein Unterwasserreservoir für flüssiges Wasser befindet.

Risse und Risse

Der erste Beweis für Enceladus-Aktivität ist seine Oberfläche. Die Himmelskörper, auf denen lange Zeit keine geologische Aktivität stattfand (und es keine atmosphärische Erosion gibt), sind mit Kratern bedeckt, deren Sicherheit nicht gefährdet ist. Wenn also viele Krater vorhanden sind (wie zum Beispiel auf einem anderen Satelliten von Saturn – Rhea; Abb. 2), dann ist die Oberfläche eines solchen Körpers höchstwahrscheinlich sehr alt und hat sich für lange Zeit nicht verändert. Auf Enceladus (ebenso wie auf Jupiters Satellit Europa) ist ein bedeutender Teil der Oberfläche von Gebieten mit Spuren intensiver tektonischer Aktivität besetzt – zahlreiche Falten, Verwerfungen, parallele und sich kreuzende Furchen (Abb. 1), was darauf hindeutet, dass die Satellitenkruste relativ deformiert wurde siehe auch: Neuigkeiten aus dem Sonnensystem: Geysire auf Europa und Wasserdampf über Ceres, "Elements", 02/07/2014). Einige dieser Orte sind fast frei von Meteoritenkratern, was bedeutet, dass sie erst vor wenigen hundert Millionen Jahren entstanden sind.

Abb. 2 Die Oberfläche von Saturns anderem Satelliten, Rhea, ist mit Einschlagkratern übersät. Dies bedeutet, dass die geologische Aktivität vor langer Zeit endete. Fotos von en.wikipedia.org

Deformation des Kortex zeigt die Bewegung der Materie im Inneren des Satelliten. Was könnte diese Bewegung verursacht haben? Gezeitenreibung oder Wärme von der Strahlung könnten Energie für ihn liefern, und nach der Erscheinung von Enceladus 'Oberfläche zu urteilen, war diese Erwärmung sehr intensiv. Hatte er genug, um einen Teil von Enceladus 'Eisrinde zu schmelzen? Das Aussehen der Oberfläche beantwortet diese Frage offenbar nicht: Es scheint, dass konvektive Prozesse in den Tiefen stattfinden, aber Wassereis wird plastisch, auch wenn seine Temperatur merklich unter Null bleibt, und es kann nicht ausgeschlossen werden, dass diese Plastizität ausreicht, um zu beginnen Konvektion und dass diese Konvektion Wärmeentfernung aus den Tiefen bietet, auch ohne zu schmelzen. Darüber hinaus werden viele Feststoffe bei Temperaturen so niedrig wie etwa 0,6 ihrer Schmelztemperatur (im absoluten Maßstab) plastisch. Zum Beispiel liefert ein ähnlicher Prozess der plastischen Konvektion jetzt Wärmeübertragung vom Kern zur Kruste im Erdmantel (der feste Zustand der Materie in ihm wird zuverlässig durch Seismometrie festgestellt).

Geysire

Mit Hilfe von Cassini wurde eine weitere Manifestation der Enceladus-Aktivität entdeckt – Geysire am Südpol (Abb. 3).Es ist jedoch zu früh, um bereits nach der Entdeckung von Geysiren auf das Vorhandensein von flüssigem Wasser zu schließen: Die Sache liegt im Detail. Starke Emissionen, die über den Südpol des Satelliten steigen und von den sogenannten "Tigerstreifen" ausgehen – vier relativ frische Störungen in der Nähe des Südpols von Enceladus – bestehen aus Wasserdampf und den kleinsten Eiskristallen. Das ist nicht überraschend, denn Enceladus hat fast keine Atmosphäre und flüssiges Wasser im Vakuum verdunstet und / oder gefriert sehr schnell. Eine solche Emissionszusammensetzung erlaubt jedoch nicht festzustellen, ob Geysire durch flüssiges Wasser in der Tiefe oder durch andere Mechanismen erzeugt werden, z. B. durch Gezeitenreibung in den Rissen selbst, lokalisierte Erwärmung von Eis an ihren Wänden und Sublimation.

Abb. 3 Geysire am Südpol von Enceladus. Bild von en.wikipedia.org

Flächenheizung im Bereich der Fehler

Die Beobachtungen von Enceladus im Infrarotbereich deuten ebenfalls darauf hin, dass Wasser in flüssigem Zustand in seinen Tiefen liegt: Sie zeigen eine sehr starke Erwärmung der Oberfläche neben Störstellen (Abb. 4). Die Orte, an denen sich Geysire befinden, werden auf 113-157 K erhitzt, was viel höher ist als die Temperatur des Rests der Satellitenoberfläche, die 75 K (-198 ° C) nicht übersteigt.Die Gesamtleistung des Wärmestroms aus den Enceladus-Tiefen, berechnet auf Basis dieser Beobachtungen, beträgt etwa 15 GW (zum Vergleich: Die Gesamtleistung aller geothermischen Stationen in Russland betrug 2010 nur 80 MW). Das Modell plastischer Konvektion kann eine solche Strömung nur mit einer Streckung erklären: ihre Intensität ist proportional zur Stärke von Archimedes, die auf erhitztes und weniger dichtes Eis wirkt, und proportional zur Schwerkraft, die auf Enceladus 70-mal geringer ist als auf der Erde.

Abb. 4 Auf der linken Seite: Fotos von Tigerstreifen mit hoher Auflösung. Die Oberfläche in der Nähe der Geysire besteht aus Schnee, kristallinem Eis und großen Eisblöcken, aber es gibt keine Spuren von flüssigem Wasser darauf. Auf der rechten Seite: Überlagerung von Bildern der südlichen Polarregion von Enceladus im sichtbaren und thermischen Infrarot. Die hellsten Bereiche werden auf 113-157 K erwärmt. Bilder von en.wikipedia.org und universetoday.com

Gezeiten Erwärmung

Ein weiteres Argument für die Existenz von Wasser "in" Enceladus ergibt sich aus dem Vergleich mit Mimas, einem anderen Satelliten des Saturns, und aus Modellen, die die Abhängigkeit der Gezeitenerwärmung von Himmelskörpern von der Unregelmäßigkeit ihrer Umlaufbahn, der Größe des Satelliten und den Eigenschaften der Materie in seinen Tiefen beschreiben.Die Intensität der Gezeitenerwärmung steigt unter sonst gleichen Umständen mit zunehmender Exzentrizität der Umlaufbahn des Satelliten und (in engen Umlaufbahnen wie bei Mimas und Enceladus) in Richtung Äquatorialebene des Zentralkörpers. Mimas hat eine exzentrischere und geneigtere Umlaufbahn als Enceladus und ist nur geringfügig kleiner (400 km), zeigt aber weder jetzt noch in der Vergangenheit Anzeichen von Aktivität. Eine detailliertere Modellierung zeigte, dass eine zufriedenstellende Erklärung für einen solchen Unterschied nur möglich ist, wenn angenommen wird, dass sich in den Tiefen von Enceladus flüssiges Wasser befindet.

Abb. 5 Vergleich zweier Saturnmonde – Enceladus (auf der linken Seite) und Mimas (auf der rechten Seite)

Dieser Unterschied zwischen Enceladus und Mimas wird durch die Besonderheiten der Gezeitenwärmemechanik verursacht. Seine Intensität (andere Dinge sind gleich) ist proportional dazu, wie gut die Energie der Gezeitenverformungen im Körper abfließen kann. Es gibt eine Analogie: Ein auf den Tisch gedrücktes Stahllineal schwankt viel länger als Kunststoff, weil Kunststoff mehr innere Reibung erfährt. Da die elastische Energie beim Abbremsen von Schwingungen in Wärme geht, und zwar, und die andere Leitung erwärmt sich, aber der Kunststoff bremst schneller ab: Macht Heizung ist höher. Und im Wasser macht selbst das Stahllineal viel weniger Schwankungen als Plastik in der Luft: Energie in einem viskosen Medium wird schneller abgebaut. Das heißt, die thermische Energie der Gezeitenerwärmung steigt an, wenn die Substanz in den Tiefen plastisch wird und insbesondere wenn sie flüssig wird. Der "elastische" Satellit kann sich in einer stark unregelmäßigen Umlaufbahn befinden und aufgrund von Reibung in Rissen und Fehlern nur eine schwache Erwärmung erfahren. Aber wenn die Heizung genug ist, um die Eingeweide des Satelliten in einen plastischen Zustand zu bringen, werden sie sich mehr aufwärmen und schmelzen, und die Gesamtheizintensität wird viele Male zunehmen, da die Amplitude der Deformationen zum ersten Mal gleich bleibt. So ist es sehr wahrscheinlich, dass Enceladus Flüssigkeit im Inneren hat, und die Eingeweide von Mimas sind gefroren und haben nie geschmolzen.

Die unterschiedliche Struktur der Eingeweide der beiden Satelliten wird durch die Merkmale ihrer Zusammensetzung bestätigt. Es wird angenommen, dass beide Satelliten aus einer Mischung von Eis- und Steinpartikeln in der Umlaufbahn um Saturn in den ersten paar Millionen Jahren nach Beginn der Entstehung des Sonnensystems entstanden sind. Zu dieser Zeit ist die Zusammensetzung von Aluminium, allgegenwärtig bei der Bildung von primitiven Steinpartikeln,Es gab immer noch genug radioaktives Isotop 26Al, das einen ziemlich starken Heizkörper lieferte. Die Heizleistung war proportional zum Anteil an Gesteinsmaterial in den Tiefen dieser Körper. In Mimas beträgt dieser Anteil jedoch nicht mehr als 20% (wie aus seiner Dichte von 1,15 g / cm hervorgeht)3), und Enceladus – nicht weniger als die Hälfte. So war die Erwärmung des Mimas-Untergrundes nicht ausreichend, um Eis zu schmelzen, und auf Enceladus genügte es, das Eis zu schmelzen und zur Differenzierung in den Steinkern, die Eisschale und den Ozean aus flüssigem Wasser zwischen ihnen zu führen. Radioaktives Aluminium zerfiel schnell, aber dann kam Gezeitenwärme zum Tragen. Wenn dieses primäre Schmelzen nicht stattgefunden hätte, wäre Enceladus höchstwahrscheinlich so tot gewesen wie Mimas.

Erwähnenswert ist der Satellit von Jupiter Callisto mit einem Durchmesser von 4800 km. Warum ist dieser Satellit undifferenziert, trotz zehnmal größer als Enceladus, der Radius und ein nicht geringer Anteil an felsiger Materie in der Zusammensetzung? Die Antwort ist scheinbar einfach: Callisto ist sehr weit von Jupiter entfernt, und die gleichen Modelle der Satellitenbildung legen nahe, dass die Bildung eines Satelliten in solchen Entfernungen sehr langsam ist und mehr als hundert Millionen Jahre dauern kann.In Planetesimalen, aus denen Callisto gebildet wurde, war nicht mehr 26Al, und die Geschwindigkeit und die Geschwindigkeit des Fallens von Teilchen auf dem Proto-Callisto waren zu langsam, um ein Schmelzen aufgrund der Energie der Kollisionen zu verursachen.

Gravitationsfeld

Trotz der bereits eindrucksvollen Liste unabhängiger Beweise für die Existenz von flüssigem Wasser auf Enceladus suchten Wissenschaftler nach anderen Beweisen. Ein Forscherteam unter der Leitung von Luciano Yess erhielt diese Bestätigung durch die Verwendung hochpräziser Messungen der Flugbahn der Cassini-Sonde im Gravitationsfeld von Enceladus. Das Wesen dieser Methode besteht darin, die Unterschiede im Schwerefeld eines Himmelskörpers aus einem Feld derselben (hypothetischen) Punktmasse zu messen. Diese Unterschiede hängen von der Massenverteilung im Körper ab und beeinflussen die Flugbahn der vorbeifahrenden Fahrzeuge und natürlichen kleinen Körper. Indem Sie die Flugbahn mit hoher Genauigkeit aufzeichnen und ihre Abweichung vom Ideal analysieren, können Sie die Massenverteilung innerhalb des Satelliten oder des Planeten herausfinden und somit "sehen" Untergrund.

Ein Beispiel für einen solchen Einfluss sind die sogenannten Mascons auf dem Mond. Beim Überfliegen eines solchen Gebietes in einer niedrigen Umlaufbahn erfährt der Satellit eine zusätzliche Attraktion, die seine Flugbahn nach unten ablenkt (z. B. für Lunar Obriter-Stationen erreichten diese Abweichungen zwei Kilometer).Später wurden solche Abweichungen gelernt, um die Struktur der oberflächennahen Schichten der Erde und des Mondes mit hoher Genauigkeit zu untersuchen (siehe die Beschreibungen der Missionen von GOCE, GRACE und GRAIL). Wir werden die Details hinter den Kulissen hinter uns lassen und feststellen, dass diese Methoden nur dazu dienen, eine Karte des Gravitationspotentials im Weltraum in der Nähe des Himmelskörpers zu erhalten. Es kann verwendet werden, um das dimensionslose Trägheitsmoment eines Himmelskörpers zu erkennen, das den Grad der Materialdifferenzierung in seinen Tiefen zu dichteren, tieferen und weniger dichten Oberflächenschichten charakterisiert und Abweichungen vom Gleichgewicht erkennt (z. B. Bereiche dichterer Materie nahe der Oberfläche).

In der vorliegenden Arbeit nutzten die Wissenschaftler 2010/2012 drei Flüge nach Enceladus durch die Cassini-Sonde, deren Flugbahnen optimal waren, um eine Karte ihres Gravitationspotenzials, insbesondere in der südlichen Polarregion, zu erstellen. Sie konnten die Geschwindigkeit des Cassini mit einer Genauigkeit von 0,02-0,09 mm / s bestimmen (zum Vergleich ist die Geschwindigkeit der Sonde relativ zu Saturn und seinen Satelliten Dutzende km / s). Diese enorme Genauigkeit wurde vor allem durch sorgfältige Berücksichtigung verschiedener, auch sehr schwacher Faktoren ermöglicht, die die Geschwindigkeit des Geräts beeinflussen (z. B.aerodynamische Verzögerung in Geysiremissionen und Blindleistung, die durch die ungleichmäßige Emission von Wärmestrahlung von Radiatoren von Cassini-Radioisotopengeneratoren entstehen).

Abb. 6 Auf der linken Seite: Karte der Gravitationsfeldanomalien von Enceladus, berechnet aus der Analyse der Flugbahnen der Cassini-Sonde. Auf der rechten Seite: Modell der internen Struktur von Enceladus basierend auf den erhaltenen Daten. Bilder aus dem Artikel in der Diskussion Wissenschaft und von ru.wikipedia.org

All dies machte es möglich, die Dimensionen von Enceladus zu klären, sowie die Verteilung seiner Masse zu berechnen: Es stellte sich heraus, dass der Radius des Kerns von Enceladus 190 km beträgt, die Dicke des Mantels beträgt 60 km. Eine große Gravitationsanomalie in der Nähe des Südpols wurde lokalisiert. Seine Existenz erklärt sich am besten durch das Vorhandensein einer größeren Fläche von dichterem Material unter dem Südpol – dh wo der Ozean sein sollte, basierend auf der Anwesenheit von Geysiren und erhöhtem Wärmefluss. Die Dicke dieses Reservoirs, berechnet aus dem Unterschied zwischen den Dichten von Wasser und Eis, beträgt 10 km unter dem Südpol und verschwindet allmählich bis etwa 50 ° südlicher Breite.

Es ist also sehr wahrscheinlich, dass der Ozean auf Enceladus wirklich existiert und in der Nähe des Südpols lokalisiert ist.Es hat alle Bedingungen für die Existenz des Lebens: die Anwesenheit von Nährstoffen aufgrund des Kontakts mit dem felsigen Kern und die Strömung der Wärmeenergie aufgrund der Gezeitenerwärmung. Außerdem entspricht der Druck am Meeresboden dem Druck in den Ozeanen der Erde in einer Tiefe von nur 0,8 km, was zusammen mit der Salzzusammensetzung aus allen Reservoiren des Sonnensystems den Ozeanen der Erde ähnlicher ist. Befindet sich flüssiges Wasser auf anderen Planetensatelliten (man nimmt an, dass es in Europa Ozeane unter der Oberfläche gibt, Ganymed, Callisto und Titan), so sind die Lebensbedingungen dort wesentlich schlechter als auf Enceladus – vor allem durch hohen Druck und der Mangel an Mineralien im Zusammenhang mit dem Übergang von Wasser in Hochdruckeis und der Mangel an direktem Kontakt von flüssigem Wasser mit dem Boden am Boden.

Quelle: L. Iess et al. Das Schwerefeld und die innere Struktur von Enceladus // Wissenschaft. 2014. V. 344. P. 78-80. DOI: 10.1126 / Wissenschaft.1250551.

Siehe auch: Saturn von Cassini-Huygens – eine Sammlung von Artikeln über das Studium des Saturn und seiner Satelliten basierend auf Daten der Cassini-Huygens-Mission.

Ivan Lavrenov


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