قمر صناعي جليدي لكوكب زحل ، إنسيلادوس ، كان موضوع اهتمام متزايد في السنوات الأخيرة منذ ذلك الحين كاسيني نفاثات من الماء والمواد الأخرى التي تم التقاطها يتم إخراجها من القطب الجنوبي للقمر. إحدى الفرضيات المحيرة بشكل خاص التي يدعمها تكوين العينة هي أنه قد يكون هناك الحياة في المحيطات تحت قذائف إنسيلادوس الجليدية. لتقييم قابلية إنسيلادوس للسكن ومعرفة أفضل طريقة لاستكشاف هذا القمر الجليدي ، يحتاج العلماء إلى فهم أفضل للتركيب الكيميائي وديناميكيات محيط إنسيلادوس.
على وجه التحديد ، مناسبة الملوحة يمكن أن تكون مهمة لصلاحية السكن. مثل عصيدة ثلاثة دببة ، يجب أن يكون مستوى الملح في الماء مناسبًا تمامًا لتزدهر الحياة. الملوحة العالية جدًا يمكن أن تهدد الحياة ، والملوحة المنخفضة جدًا قد تشير إلى تفاعل ضعيف بين الماء والصخور ، مما يحد من كمية الطاقة المتاحة للحياة. إذا كانت الحياة موجودة ، فإن دوران المحيط ، الذي يعتمد أيضًا بشكل غير مباشر على الملوحة ، سيحدد المكان الذي تنتقل إليه الحرارة والمغذيات والبصمات الحيوية المحتملة ، وبالتالي فهو المفتاح لاكتشاف البصمات الحيوية.
فيديو يوتا يناقش إنجازات مهمة كاسيني.
فريق من العلماء يعملون مع دكتور. وانينج كانغ في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، يتعامل مع هذه الأسئلة من خلال المحاكاة العددية لدورات المحيط المحتملة لمستويات مختلفة من الملوحة وتقييم احتمالية كل سيناريو من خلال التساؤل عما إذا كان قادرًا على الحفاظ على هندسة الغلاف الجليدي المرصودة التي رسمتها كاسيني على القمر الجليدي.
يعتمد دوران المحيط على الاختلافات في كثافة المياه المكونة له في أجزاء مختلفة من المحيط. سيتدفق الماء الأكثر كثافة باتجاه الماء الأقل كثافة من أجل الوصول إلى التوازن. يتم التحكم في هذه الاختلافات في الكثافة من خلال عاملين رئيسيين ، موقع مصدر حرارة القمر وملوحة المحيط ، وكلاهما غير مفهوم بشكل جيد حاليًا.
فيديو يوتا يناقش التركيب الكيميائي للقمر إنسيلادوس.
يوجد مكانان على إنسيلادوس لمصدر حرارة محتمل: في قلب السيليكات أو في الجرف الجليدي السفلي حيث يلتقي الجزء العلوي من المحيط. إذا تم إنتاج قدر كبير من الحرارة في قلب السيليكات من خلال انثناء المد والجزر تحت المحيط ، فإن العلماء يتوقعون رؤية الحمل الحراري ، تمامًا مثل ما يحدث عند غلي وعاء من الماء. وبالمثل ، إذا حدث التجمد فوق سطح المحيط ، فسيتم طرد الملح من الجليد ، مما يزيد من كثافة المياه المحلية ويطلق الحمل الحراري من الأعلى.
تلعب الملوحة أيضًا دورًا رئيسيًا في حسابات الكثافة هذه. بالنسبة لمستويات الملوحة المنخفضة نسبيًا ، يتقلص الماء عند ارتفاع درجة حرارته بالقرب من نقطة التجمد ، مما يجعله أكثر كثافة. نظرًا لأن محيط إنسيلادوس ملامس لقشرة جليدية عالمية ، فقد اقترب من التجمد. هذا مخالف للبديهة لكيفية تفكير معظم الناس في الاحترار - مما يعني عمومًا أن المادة تصبح أقل كثافة مع زيادة درجة الحرارة. في درجات الملوحة العالية ، يصبح هذا صحيحًا ويبدأ الماء في التصرف بشكل طبيعي ، ويتمدد عند ارتفاع درجة الحرارة.
كوتاواي يظهر الجزء الداخلي من قمر كوكب زحل إنسيلادوس. الائتمان: ESA
نظرًا لعدم اليقين بشأن ملوحة المحيط على إنسيلادوس (بين 4-40 جرامًا من الملح لكل كيلوجرام من الماء) والنسبة المئوية لتسخين الكوكب في أي من المصدرين ، استخدمت الدكتورة كانغ وزملاؤها نموذج المحيط لمحاكاة دوران المحيط في مجموعات مختلفة ، على افتراض أن القشرة الجليدية المرصودة يتم الحفاظ عليها عن طريق التجميد في مناطق الجليد السميك والذوبان في أماكن أخرى. ينطبق هذا إلى حد كبير على العوالم الجليدية ، حيث أن الرفوف الجليدية سوف تتسطح بشكل طبيعي بمرور الوقت بسبب تدفق الجليد إذا لم تكن هناك عملية أخرى تحافظ على الاختلاف.
قام الفريق بتشخيص انتقال الحرارة وفقًا لسيناريوهات مختلفة ووجدوا أن القليل منها فقط يمكنه الحفاظ على 'توازن' بشكل عام ميزانية الحرارة ، على سبيل المثال ، كيف يمكن للمصادر المختلفة للحرارة (كمية تدفق الحرارة من المحيط إلى الجليد ، بالإضافة إلى إنتاج الحرارة في الجليد بسبب انثناء المد والجزر ، بالإضافة إلى إطلاق الحرارة الكامنة) أن توازن بالضبط فقدان الحرارة الناقلة عبر الجليد صدفة.
صورة من الورقة توضح دورة الماء والجليد في محيطات إنسيلادوس.
الائتمان: كانغ وآخرون
وفقًا للنموذج ، يمكن تحقيق هذا التوازن على نطاق واسع إذا كانت ملوحة المحيط عند مستوى متوسط (10-30 جم / كجم) وإذا كانت القشرة الجليدية هي مصدر الحرارة السائد. عندما يتم استيفاء هذين الشرطين ، يكون دوران المحيط ضعيفًا. نتيجة لذلك ، لن يتم خلط الماء القطبي الدافئ باتجاه خط الاستواء بكفاءة عالية ، لذلك لن يحدث الذوبان الاستوائي. ينتج عن هذا رف جليدي يكون أكثر سمكًا حول خط الاستواء للقمر ، كما لوحظ من قبل كاسيني. كما يشير أيضًا إلى أن الضغط عند السطح البيني المائي والجليد يكون أقل عند القطبين ، مما يعني أنه يحتوي أيضًا على نقطة تجمد أعلى من الماء عند خط الاستواء.
بالنسبة لتلك السيناريوهات ذات الميزانية الحرارية 'غير المتوازنة' ، مما يعني أن بعض الحرارة المتولدة على القمر لا يتم نقلها بعيدًا ، ويكون نقل الحرارة باتجاه خط الاستواء فعالًا للغاية وستميل القشرة الجليدية الاستوائية إلى الذوبان. وفي الوقت نفسه ، فإن قوة التدرج في الضغط ستدفع تدفق الجليد من خط الاستواء إلى القطبين. سيؤدي الذوبان وتدفق الجليد معًا إلى تقليل سماكة الجليد بالقرب من خط الاستواء ، لا محالة. في ظل هذا السيناريو ، لا يمكن الحفاظ على هندسة الجليد المرصودة على مدار عمر القمر .
عرض فنان يُظهر مقطعًا عرضيًا داخليًا لقشرة إنسيلادوس ، والذي يوضح كيف يمكن أن يتسبب النشاط الحراري المائي في تكوّن أعمدة المياه على سطح القمر. المصدر: NASA-GSFC / SVS، NASA / JPL-Caltech / Southwest Research Institute
في النهاية ، يسلط العمل الذي قامت به الدكتورة كانغ وزملاؤها الضوء على أن القشرة الجليدية ودوران المحيطات على الأقمار الصناعية الجليدية يجب اعتبارهما نظامًا مقترنًا: يعيد دوران المحيط توزيع الحرارة ويشكل القشرة الجليدية ، وبالتالي تجمد / تجميد القشرة الجليدية يؤدي الانصهار وتغير السماكة إلى دوران المحيط. تتمثل إحدى النتائج الرائعة لهذا البحث في أنه يشير إلى إمكانية استنتاج أحدهما من الآخر ، وهو ما يمكن أن يكون مفيدًا بعيدًا عن إنسيلادوس. كجزء من هذا الجهد لفهم الأقمار الجليدية في نظامنا الشمسي ، تعرف المجموعة باسم برنامج استكشاف عوالم المحيطات ستعمل معًا لتعميق فهمنا لصلاحية الأقمار الجليدية للسكن والطريقة المثلى لاستكشافها.
يتعلم أكثر:
arXiv - كيف تشكل الملوحة دوران المحيطات وهندسة الجليد على إنسيلادوس والأقمار الصناعية الجليدية الأخرى؟
يوتا - الجزيئات العضوية المعقدة تتلاشى من داخل إنسيلادوس
يوتا - قد يشرح النواة المشعة السخانات على إنسيلادوس
الصورة الرئيسية:
رسم توضيحي للجزء الداخلي من إنسيلادوس - سماكة ليست على نطاق واسع.
الائتمان: NASA / JPL - Caltech
