Наше исследование внешней части Солнечной системы выявило множество ледяных спутников, многие из которых имеют поверхностные особенности, указывающие на сложную геологию. В некоторых случаях эти особенности, в частности гейзеры Энцелада, указывают на наличие океанов под ледяной поверхностью. Их наличие объясняется гравитационными взаимодействиями, которые вызывают деформацию и трение внутри спутника, что создаёт достаточно тепла, чтобы расплавить внутреннюю его часть.

Чуть меньше внимания уделяется тому факту, что некоторые из этих орбитальных взаимодействий являются временными или циклическими. Орбиты любого тела не всегда регулярны и часто имеют долгосрочные циклы. Это также верно для других спутников, которые создают гравитационное напряжение. В результате внутренние океаны могут фактически появляться и исчезать, поскольку внутренние части спутников тают и замерзают заново.

В новом исследовании, опубликованном в Nature Astronomy, рассматривается одно из последствий разницы в плотности между жидкой водой и льдом (около 10 процентов): возможность того, что при таянии внутренняя часть спутника будет сжиматься, из-за чего непосредственно под её ледяной оболочкой появится область низкого давления. Согласно этому исследованию, если спутник достаточно мал, это может привести к кипению поверхности океана.

Сдвигая лёд

Может возникнуть соблазн думать, что нынешняя конфигурация Солнечной системы относительно статична. Но это определённо не так; есть мног�� признаков того, что внешние планеты немного смещались в начале своей истории. И даже в своём нынешнем состоянии Земля переживает длительные орбитальные циклы, которые приводят к наступлению и окончанию ледниковых периодов. Спутниковые системы внешних планет имеют потенциал для ещё более сложных взаимодействий, поскольку многие отдельные тела разного размера делят пространство с гигантской планетой.

Конечно, напрашивается предположение, что океаны под поверхностью спутников являются результатом постоянного воздействия сил и поэтому существовали там «всегда». Или что спутники изначально были горячими сразу после своего образования и с тех пор постепенно остывали. Но на самом деле приливное нагревание, которое приводит к образованию этих океанов, может периодически появляться и исчезать, и спутники могут периодически таять и замерзать.

Это может иметь серьёзные последствия для напряжений, испытываемых ледяными оболочками этих спутников. Вода значительно плотнее льда. Поэтому, когда океан спутника замерзает, её внутренние части расширяются, создавая силы, направленные наружу, которые давят на гравитацию, удерживающую спутник. Уже было исследовано влияние этого перехода на геологию поверхности ряда спутников, включая Европу и Энцелад. Поэтому исследователи, стоящие за новой работой, решили рассмотреть противоположную проблему: что происходит, когда внутренние слои начинают таять?

Вместо того, чтобы сосредоточиться на конкретном спутнике, команда создала общую модель океана, покрытого льдом. В этой модели ледяная оболочка рассматривалась как упругая поверхность, то есть она не могла просто разорваться, а под ней находился вязкий лёд. Ниже был жидкий океан и, в конечном итоге, каменное ядро. По мере таяния льда и расширения океана исследователи отслеживали напряжения на ледяной оболочке и изменения давления, происходившие на границе между льдом и океаном. Они также отслеживали распространение тепловой энергии через ледяную оболочку.

Падение давления

Очевидно, что существуют пределы, до которых внешняя оболочка может изгибаться, чтобы приспособиться к усадке тающих внутренних частей спутника. Это создаёт область низкого давления под оболочкой. Последствия этого зависят от размера спутника. Для более крупных спутников — и это включает большинство спутников, которые изучала команда, в том числе Европу — было два варианта. Для некоторых гравитация достаточно сильна, чтобы поддерживать давление на уровне, при котором вода на границе раздела остаётся в жидком состоянии. В других случаях гравитация вызывала разрушение даже упругой поверхности, что приводило к её обрушению.

Однако для более мелких спутников это не срабатывает: давление становится настолько низким, что вода закипает даже при температуре окружающей среды (чуть выше точки замерзания воды). Кроме того, низкое давление, скорее всего, приведёт к выделению газов, растворённых в воде. В результате на границе раздела льда и воды должны образовываться пузырьки газа. «Кипение возможно на этих телах — и не на других — потому что они маленькие и имеют относительно низкое ускорение свободного падения», — заключают исследователи. «Следовательно, для уравновешивания давления [коры] требуется меньшее давление океана».

Насколько маленьким должен быть спутник? Только три из исследованных ими спутника, вероятно, имеют кипящие океаны. Один из них — Энцелад, известный гейзерами в южном полушарии. Два других — Мимас, небольшой спутник Сатурна, и Миранда, которая вращается вокруг Урана. Мимас особенно интригует, поскольку есть данные, что его океан мог образоваться недавно (по астрономическим меркам).

Ни для одного из них не требуется особенно глубокий океан. Исследователи оценивают, что Энцеладу потребуется растопить океан глубиной всего около 14 км, чтобы создать условия, при которых возможно кипение; для Мимаса эта глубина составляет всего 5 км.

Исследователи осторожно признают, что мы на самом деле не знаем, к чему это приведёт, и пишут: «Судьба пара, образующегося в подповерхностном океане, неопределенна». Они предполагают, что он может действовать примерно так же, как жидкая магма в нашей коре, проникая в трещины и неровности ледяной коры. Вода должна быть достаточно холодной, чтобы конденсироваться там, в то время как другие газы, выделяющиеся из воды, должны оставаться в газообразной фазе, потенциально расширяя трещины.

Настоящий вопрос заключается в том, что всё это означает с точки зрения поверхности. Возможно, что разрушение коры из-за отсутствия давления создаст другие особенности, отличные от тех, которые можно увидеть при трещинах, образованных газом. К сожалению, три спутника, на которых может происходить подобное явление, не очень похожи друг на друга. Поэтом��, возможно, нам понадобится больше примеров, чем может предоставить наша Солнечная система, чтобы получить чёткое представление о том, что происходит в таких случаях.