Nachrichten aus dem Sonnensystem: Geysire auf Europa und Wasserdampf über Ceres • Ivan Lawrenov • Wissenschaftsnachrichten zu "Elementen" • Astronomie

Neuigkeiten aus dem Sonnensystem: Geysire in Europa und Wasserdampf über Ceres

Abb. 1. Satellit von Jupiter Europa. Der Einschlagskrater Puil (Pwyll) ist sichtbar. Bereiche erhöhter Mineralisierung sehen dunkler aus, was auf einen möglichen Kontakt des untereisigen Ozeans mit Eisablagerungen auf der Oberfläche hindeutet. Foto von ru.wikipedia.org

Beobachtungen am Hubble Space Telescope zeigen, dass der Untereis-Ozean auf Jupiters Satelliten in Europa mit der Oberfläche in Kontakt kommen kann. Wasserdampf wurde in der Nähe des Südpols von Europa nachgewiesen, je nach seiner Position in der Umlaufbahn, verstärkt oder abgeschwächt. Sie weisen auf Risse in der Eiskruste hin, die sich unter Gezeitenkräften periodisch öffnen und Wasser verdunsten lassen. Auch bei Ceres, dem größten Körper des Hauptgürtels von Asteroiden, wurden Wasserdampfemissionen nachgewiesen, die jedoch wahrscheinlich mit der Sublimation (Verdampfung) von Oberflächeneis aufgrund von Sonnenerwärmung zusammenhängen.

Flüssiges Wasser des Eisozeans in Europa

Als die ersten interplanetaren Sonden die Umgebung von Jupiter erreichten, entdeckten sie, dass die Oberfläche eines ihrer Satelliten, Europa, dem geplatzten Eis gefrorener Seen und Meere der Erde ähnelte (Abb. 2). Europa ist in vielen sich kreuzenden dunklen Streifen bedeckt,außerdem kreuzen sich die alten Bänder oft mit jüngeren und brechen an diesen Stellen leicht, als ob eine parallele Verschiebung der Oberfläche entlang des neuen Streifens stattfände. In Europa gibt es fast keine Einschlagskrater, was eine hohe Variabilität der Oberfläche bedeutet (was von Eis zu erwarten ist). Wissenschaftler glauben, dass die Linien hauptsächlich unter der Wirkung von Gezeitenkräften gebildet werden, die durch die Anziehungskraft von Jupiter verursacht werden.

Abb. 2 Auf der linken Seite: Spuren auf Europa, auf der rechten Seite: Risse im Eis des Baikal. Bilder von den Seiten solarsystem.nasa.gov und gelio-nsk.livejournal.com

Bei Gezeitenverformungen müssen die Risse jedoch in einer bestimmten Weise positioniert und ausgerichtet werden. Es wird jedoch beobachtet, dass nur die frischesten Banden zusammenfallen und die älteren zufällig von den Vorhersagen abweichen: je älter, desto stärker. Dies bedeutet, dass die Oberfläche Europas nicht mechanisch mit dem Kern verbunden ist und eine Eiskruste über der flüssigen oder sehr plastischen Schicht ist. Die Aufrechterhaltung dieser Schicht im erwärmten und flüssigen Zustand soll durch Gezeitenerwärmung erreicht werden: Bei einer ungleichmäßigen Umlaufbewegung des Satelliten bewegen sich Gezeitenwellen entlang ihrer Oberfläche und verursachen periodische Verformungen und Erwärmung durch Reibung (zum Beispiel ist die Gezeitenerwärmung für den Vulkanismus verantwortlich) ein weiterer Satellit von Jupiter – Io,der geologisch aktivste Körper im Sonnensystem; siehe auch Gezeitenheizung). Gezeitenwärme kann auch zum Vulkanismus am Meeresboden beitragen.

Ein weiterer Beweis für die Existenz des subglazialen Ozeans in Europa wurde durch die Messung des Magnetfeldes erhalten. Die Galileo-Sonde, die in den 1990er Jahren Jupiter und seine Satelliten erforschte, entdeckte in Europa ein schwaches Magnetfeld (etwa 120 nT, das 500-mal kleiner ist als das der Erde), das sich mit der Bewegung Europas im Orbit ändert. Dies erklärt sich durch die Tatsache, dass sich in der Nähe seiner Oberfläche eine elektrisch leitende Schicht befindet, in der Jupiters viel stärkeres Magnetfeld Ströme erzeugt, die wiederum ein eigenes Feld erzeugen. Laut den Autoren des Artikels zu diesem Thema (siehe: C. Zimmer et al., 2000. Untergrunde Ozeane auf Europa und Callisto: Einschränkungen durch Galileo Magnetometer Beobachtungen), die leitende Schicht in Europa liegt nicht tiefer als 200 km, und seine elektrische Leitfähigkeit ist nicht weniger als 0,02 cm / m (Siemens pro Meter), das ist das gleiche wie das von Salzwasser. Selbst in den duktilsten Formen von Eis oder Gestein ist die elektrische Leitfähigkeit bei nicht sehr hohen Temperaturen und Drücken viel geringer.

So deutet alles darauf hin, dass unter der Eiskruste Europas ein Ozean aus flüssigem Wasser liegt, in dem dank des Vulkanismus am Boden alle Bedingungen für die Existenz des Lebens vorhanden sind: Wasser, Nährstoffe und eine Energiequelle.Bodenökosysteme (wenn sie natürlich existieren) können den Ökosystemen schwarzer Raucher auf der Erde ähnlich sein, in denen Organismen in Wasser gelöste Mineralien und vulkanische Hitze verwenden. Wie kann man diesen Ozean genauer erforschen? Ist es notwendig, eine Eisschicht zu bohren, deren Dicke nach verschiedenen Quellen 3 bis 30 km beträgt? Ist es möglich, frisches gefrorenes Wasser aus den Tiefen des Ozeans in der Nähe der dunklen Streifen Europas zu finden (organische Materie kann darin verbleiben, die durch die kosmische Strahlung noch nicht zerstört wurde)? Steht das Meer in direktem Kontakt mit der Oberfläche oder ist das frische Material an der Oberfläche Konvektion in der unteren, plastischen Schicht der Kruste? (Erhitzte Eisflächen können durch die Kraft von Archimedes in der Plastikschicht aufsteigen und teilweise zu isolierten flachen Reservoirs schmelzen – Analoga von magmatischen Federn.) In jedem Fall das Studium des europäischen Ozeans in situ beinhaltet komplexe und kostspielige Missionen. Aber die kürzliche Entdeckung (siehe unten) lässt uns hoffen, dass das Studium des subglazialen Ozeans Europas und sogar die Lieferung von Materialproben von ihm auf die Erde viel einfacher werden kann.

Geysire in Europa

Nach der Entdeckung von Geysiren auf dem Satelliten Enceladus, dem Satelliten des Saturn, begannen Wissenschaftler, nach Beweisen für ähnliche Aktivitäten an anderen Körpern, hauptsächlich in Europa, als dem wahrscheinlichen Besitzer des Unterwassereises zu suchen. Die Bildung von Gebieten wie Connemara Chaos (Abb. 3, siehe auch Conamara Chaos), und die Rissbildung der Oberfläche wird wahrscheinlich durch Kontakt von Wasser (oder zumindest wärmeres Eis) mit der Oberfläche und Emissionen von Wasserdampf begleitet werden. Das heißt, die Anwesenheit von Geysiren würde gleichzeitig die geologische Aktivität der Kruste bestätigen und ein Hinweis darauf sein, dass das Material des Ozeans von Europa irgendwo näher an der Oberfläche gefunden werden kann.

Abb. 3 Das Konmermarsky-Chaos im Torosta-Gebiet – das größte der fünf Chaos in Europa, das als Beweis für die Existenz des Untereis-Ozeans dient. Foto von astronomycentral.de

Eine Gruppe von Wissenschaftlern um Joachim Saur von der Universität zu Köln beobachtete Europa mit dem Hubble-Weltraumteleskop im ultravioletten Bereich (siehe elektromagnetische Strahlung), in den Emissionslinien von neutralem atomarem Sauerstoff (130,4 und 135,6 nm) und atomar Wasserstoff mit einer Wellenlänge von 121,6 nm – die sogenannte Linie Lyman alpha.Es wurde angenommen, dass Wasserdampf in der Nähe von Europa (falls vorhanden) durch die ultraviolette Strahlung der Sonne (siehe Photodissoziation) in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird, die von der gleichen Strahlung angeregt werden und in diesen Linien übermäßige Lumineszenz zeigen.

Eis dissoziiert auch unter der Einwirkung von Strahlung (besonders in Abwesenheit von Stickstoff und Kohlendioxid, genau wie in der Atmosphäre Europas), aber es zersetzt sich viel langsamer als Dampf, und leichte Wasserstoffatome erreichen schnell eine höhere Geschwindigkeit als der zweite Raum für Europa und verlassen seine Region Attraktion Schwerere Sauerstoffatome bewegen sich langsamer, sie bleiben in Europa und rekombinieren sich zu O-Molekülen2 und bilden eine verdünnte Sauerstoffatmosphäre in Europa (Druck 10-7 Pa – eine Billion mal kleiner als die Erde und insgesamt tausendmal mehr als im interplanetaren Raum. Daher sollte Wasserstoff unter normalen Bedingungen nicht in der Nähe von Europa sein: Dies erfordert eine ausreichende Menge an Wasserdampf, wodurch Wasserstoffatome viel effizienter erzeugt werden als Eis. So viel Dampf kann sich nicht durch Sublimation von Eis bilden, weil die Temperatur in Europa zu niedrig ist (-170 ° C am Äquator, -220 ° C an den Polen), und das darauf befindliche Eis selbst im Vakuum nicht verdampft.Daher kann die übermäßige Bildung von atomarem Wasserstoff und Sauerstoff nur durch das Vorhandensein von Geysiren erklärt werden.

Die im Dezember 2012 gemachten Beobachtungen in der Wasserstoffemissionslinie zeigten eine solche übermäßige Emission, deren Zentrum in den südlichen polaren Breiten nahe 90 Grad westlicher Länge lag, und die Größe entsprach einer zweihundert Kilometer langen Dampfwolke mit einer Wasserkonzentration in der Sichtlinie von 1,5 · 1020 Moleküle / m2 (Abb. 4). Dieselben Bereiche entsprachen den erhöhten Emissionen in den Sauerstoffleitungen, was die Art der Emission bestätigt: sie besteht aus Wasserdampf. Die Autoren des diskutierten Artikels geben nicht die Gesamtmasse des Wassers in einer Wolke an, aber aufgrund seiner Größe (Hemisphäre 200 km) und der Schwerkraft auf Europa kann seine Masse auf 10 Tonnen und der Dampfverbrauch auf 10 kg / s geschätzt werden.

Abb. 4 Bilder von Europa: im sichtbaren Licht (obere Reihe) und im Ultravioletten, erhalten auf dem Hubble Space Telescope. In der Linie Lyman-α (121,6 nm): Gesamtemission (zweite Reihe von oben), Emission nach Abzug der Reflexion von Sonnenlicht von der Oberfläche (mittlere Reihe). In Sauerstofflinien: 130,4 nm (vierte Reihe) und 135,6 nm (fünfte Reihe). Linke Spalte – Oktober 1999, durchschnittlich – November 2012, richtig – Dezember 2012. Beobachtungen im Dezember 2012 wurden gemacht, als Europa von Jupiter am weitesten entfernt war und die Risse hätten entdeckt werden sollen, der Rest der Beobachtungen – an anderen Punkten der Umlaufbahn. Konturen bezeichnen das Signal-Rausch-Verhältnis. Bilder aus dem Artikel in der Diskussion Wissenschaft

Gezeitenmechanismus

Beobachtungen zeigen, dass die Emissionsaktivität ein Maximum erreicht, wenn Europa in der Nähe des Apocenters (der entfernteste Punkt seiner Bahn von Jupiter) liegt und am Perimeter abnimmt, was auf einen Tidenmechanismus der Emissionsaktivierung hinweist. Dies ist konsistent mit den Modellen der Auswirkungen der Gezeitenkräfte von Jupiter auf die Eiskruste Europas, die Risse in ihm sollten sich in der Nähe der Pole (die übrigens auf Enceladus, dem Saturnmond beobachtet wird) und in den entferntesten Punkten der Jupiterbahn öffnen. muss "schließen".

Die Wissenschaftler bemerken eine hohe Geschwindigkeit des nach außen entweichenden Materials – 700 m / s (berechnet aus Messungen der maximalen Höhe der Emissionen und basierend auf dem bekannten Wert der Beschleunigung des freien Falls auf Europa – 1,3 m / s)2). Dies deutet auf einen Ausbruch aus sehr engen und tiefen Rissen hin.Solche Geschwindigkeiten sind zu hoch, und es ist schwierig, sie durch Expansion zu erklären, wenn der Druck in den Rissen vom Gleichgewichtsdampfdruck über Wasser oder warmes Eis (Dutzende von Pascal) bis zum Druck in der Nähe der Geysiröffnung fällt (es ist Größenordnungen größer als der durchschnittliche Druck in der Wolke und kann nicht weniger als ein Hundertstel Pascal sein) , sonst unrealistische große Bereiche von Öffnungen werden erhalten: Tausende von km2wenn es in der Größenordnung von 1 & mgr; Pa ist, und Einheiten von km2wenn es ungefähr 1 MPa ist). Es ist möglich, dass andere Prozesse für das Übertakten verantwortlich sind, zum Beispiel die Extrusion von Dampf während des periodischen Zusammenbruchs von Rissen, aber dies ist Gegenstand weiterer Forschung. Dennoch ist nicht völlig ausgeschlossen, dass der Dampf in den Rissen nicht mit dem Ozean verbunden ist, sondern sich bildet, wenn ihre Wände durch starke Reibung gegeneinander erhitzt werden. Die Form der Risse und Zeichen der geologischen Jugend der Oberfläche weisen jedoch darauf hin, dass auch ein direkter Kontakt mit dem Ozean möglich ist. Tatsächlich werden beide Mechanismen wahrscheinlich auftreten.

Die Anwesenheit von Geysiren in Europa erleichtert die Lieferung von Material von Europa auf die Erde radikal: Es ist nicht nötig, auf der Oberfläche zu sitzen und abzuheben, wobei eine große Menge Treibstoff verbraucht wird. Einfach die Orbitalsonde laufen lassen,der durch die Emissionen fliegt und einen Teil seines Materials in eine Kühlfalle (oder Aerogel, wie im Stardust-Apparat) mitnimmt und es zur Erde zurückschickt.

Ceres: Zwergplanet im Asteroidengürtel mit Eiskruste

Ein weiterer Kandidat für das Vorhandensein von Wasser ist Ceres, das größte Objekt des Asteroidengürtels. Wie jüngste Studien zeigen, sind viele Objekte des Asteroidengürtels nicht nur Steinblöcke oder Metallstücke, sondern können auch eine komplexe Struktur aufweisen. So arbeitete die Raumsonde Dawn von Juli 2011 bis September 2012 in der Umlaufbahn eines anderen Asteroiden dieses Gürtels, Vesta. Es stellte sich heraus, dass Vesta trotz seiner geringen Größe (530 km) ein differenzierter Körper mit einer geologischen Geschichte ist und aus einem kleinen Eisenkern, einem Steinmantel und einer Kruste aus gefrorener Lava besteht. Und in den ersten paar Millionen Jahren gab es einen starken Vulkanismus auf West, angetrieben durch den Zerfall kurzlebiger radioaktiver Isotope.

Abb. 5 Ceres. Auf der linken Seite – Bild vom Hubble-Weltraumteleskop. Auf der rechten Seite – innere Struktur: Eisen-Stein-Kern, Mantel aus Wassereis, die Rinde einer Mischung aus Eis und Staub. Bilder von en.wikipedia.org

Der Durchmesser von Ceres beträgt fast 1000 km, was mit der Größe der durchschnittlichen Saturn-Satelliten vergleichbar ist; Dies deutet darauf hin, dass seine Struktur auch differenziert ist. Das Interessanteste ist, dass die geringe Dichte von Ceres und das Vorhandensein von Eis, Karbonaten und stark hydratisierten Mineralien auf seiner Oberfläche für das Vorhandensein einer zehn Kilometer dicken Schicht Wassereis zeugt (Abb. 5), die es wie Europa aussehen lässt! Außerdem hätten die Heizungsmechanismen von Vesta natürlich auch auf Ceres auftreten können. Es wird angenommen, dass sie in den ersten paar Millionen Jahren nach der Bildung dieser Körper durch den Zerfall radioaktiver Elemente stark erhitzt wurden, darunter auch relativ tote (zum Beispiel Aluminium-26 mit einer Halbwertszeit von etwa 717.000 Jahren, das zunächst viel in Gesteinen lag; Artikel N. Moscowitz, E. Gaidos. Differenzierung von Planetesimalen und die thermischen Folgen der Melt Migration). Wahrscheinlich waren am Anfang der Geschichte dieses Himmelskörpers seine Eingeweide geschmolzen, und daher war ein Teil des Wassers darauf in einem flüssigen Zustand. Die Raumsonde Dawn wird erst im Jahr 2015 nach Ceres kommen, aber jetzt beobachten Wissenschaftler sie regelmäßig in Boden- und Weltraumteleskopen.

Ceres Geysers: "Kometen" -Mechanismus

Wissenschaftler des Südeuropäischen Observatoriums untersuchten Ceres mit dem Infrarot-Weltraumteleskop Herschel. Anders als in Europa wurden diese Beobachtungen im fernen Infrarotbereich im Bereich des Spektrums nahe 538,3 μm (dh tausendmal länger als die Wellen des sichtbaren Lichts) gemacht, wo sich eine der Absorptions- und Emissionslinien von neutralen Wassermolekülen befindet. Da die maximale Auflösung des Teleskops umgekehrt proportional zur Wellenlänge ist, war die Ceres-Scheibe in diesen Beobachtungen nicht unterscheidbar (obwohl die Teleskopöffnung anderthalbmal größer ist als die des Hubble). Trotzdem wurde die ungefähre Position der Emissionsstelle durch Messung der Dopplerverschiebung der beobachteten Spektrallinie ermittelt, die durch die Rotation von Ceres um seine Achse verursacht wird (Abb. 6). Es stellte sich heraus, dass die Emissionen in den dunkelsten Bereichen der Ceres-Scheibe lokalisiert sind. Also die Bildung von Wasserdampf, wahrscheinlich aufgrund der solaren Erwärmung.

Abb. 6 Die Abhängigkeit der Dopplerverschiebung der Wasserlinie bei einer Wellenlänge von 538,3 μm (vertikal) aus der Rotationsphase von Ceres (waagerecht) und die Korrelation der Maxima mit den Details der Oberfläche. Punkte mit roten Intervallen (Unsicherheiten) – experimentelle Daten blaue Linie – glatte Annäherung; Emissionsrate erreicht ~ 400 m / s. Die Oberfläche Karte hat die beste verfügbare Qualität im Moment, da Ceres eine sehr kleine sichtbare Scheibe hat. Bild aus dem Artikel in der Diskussion Natur

Die Emissionsraten erreichen Hunderte von Metern pro Sekunde, was wie in Europa die Freisetzung von Dampf durch enge und lange Löcher bedeutet. Es scheint, als ob auf Ceres ein "Kometen" -Emissionsmechanismus existiert, wenn sich Dampf unter der Oberfläche ansammelt und durch Risse darin entweicht. Ceres ist der Sonne viel näher als Europa und seine Oberfläche ist viel dunkler, so dass es sich über -50 ° C aufheizen kann. Bei dieser Temperatur kann Wassereis unter kosmischen Vakuumbedingungen merklich verdampfen.

Die Autoren des Artikels lieferten Schätzungen der Verdampfungsrate: 6 kg pro Sekunde (zuerst wurde die Gesamtdampfmenge nach der Intensität der Linien berechnet, dann dividiert durch die Durchschnittszeit vom Zeitpunkt der Emission bis zum Abfallen an die Oberfläche oder ins Weltall und erhielt das Material für die Nachfüllung ). Wenn wir akzeptieren, dass die gesamte von der Oberfläche absorbierte Energie zur Sublimation geht, dann beträgt die effektive Sublimationsfläche nur 0,6 km.2 (0,0000001 von der gesamten Oberfläche von Ceres). In Wirklichkeit ist natürlich nicht das ganze Sonnenlicht für die Sublimation verbraucht, und die effektive Fläche ist zwei oder drei Größenordnungen größer, aber es macht immer noch einen kleinen Bruchteil der Oberfläche von Ceres aus. Eis kann aus frischen Meteoritenkratern, die die äußere Staubschicht durchbrochen haben, sowie unter der Staubschicht verdampfen. Das Zusammentreffen von Wasserdampfquellen mit den dunkelsten Bereichen der Ceres-Oberfläche und die hohe Emissionsrate scheinen die zweite Option zu favorisieren, aber in Wirklichkeit kann eine Kombination von Mechanismen stattfinden. Du kannst nicht abschreiben und Kryovulkanismus. Anders als Gasriesensatelliten kann sich Ceres aufgrund von Gezeiten nicht aufheizen, aber einigen Modellen zufolge können langlebige und langsam zerfallende Isotope in seinem Kern eine ausreichende Temperatur in den unteren Schichten der Kruste aufrechterhalten, um Plastikeis zu bilden und Konvektion in ihm oder sogar zu beginnen teilweises Schmelzen. Ohne Heizungsquellen wäre die Temperatur der Eiskruste von Ceres längst auf die Durchschnittstemperatur ihrer Oberfläche – auf -105 ° C abgesenkt worden. Wenn jedoch eine beträchtliche Menge an Ammoniak im Eis vorhanden ist, kann es bei -80ºC zu schmelzen beginnen, und der erforderliche Grad an Erwärmung ist nicht so groß.Weitere Beobachtungen werden helfen zu verstehen, welcher Mechanismus der Wasserdampfbildung auf Ceres wirkt: Die Sublimation unter dem Einfluss der Sonnenerwärmung sollte mit den Jahreszeiten variieren und der Kryovulkanismus hängt nicht von ihnen ab.

Somit ist Ceres nicht mehr nur der größte Asteroid – jetzt ist es ein Zwergplanet mit einigen Merkmalen des größten Kometen des Sonnensystems und mit einer Eisschicht, unter der sich wahrscheinlich der flüssige Ozean in der Vergangenheit versteckte, und mit Spuren der Wechselwirkung von Wasser und Mineralien auf der Oberfläche . Ob der Ozean bisher flüssig geblieben ist, woher Wasserdampf in der Nähe von Ceres gekommen ist, und wir werden wahrscheinlich viel mehr bald lernen, wenn die Raumsonde Dawn im Februar 2015 ihre Umlaufbahn erreichen wird.

Quellen:
1) Lorentz Roth et al. Vorübergehender Wasserdampf am Südpol Europas // Wissenschaft. V. 343. S. 171.
2) Michael Küpperset al. Lokalisierte Wasserquellen auf dem Zwergplaneten (1) Ceres // Natur V. 505. P. 525.

Ivan Lavrenov


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