Ученые попробовали на вкус океан из недр Энцелада

Шестой спутник Сатурна -- Энцелад удивляет ученых прямо с момента своего открытия в XVIII веке. Очень яркое белое небесное тело отражает почти 99% падающего на него света. Как выяснилось позднее, все благодаря водяному льду, покрывающему Энцелад ровным слоем. Энцелад – одно из всего четырех тел Солнечной системы, на которых есть вода (три других – Земля, Марс и спутник Юпитера Европа).

Гейзер напоил кольцо

Энцелад движется вокруг Сатурна в середине тусклого кольца E, которое также состоит по большей части из мелких частичек водяного льда. Кольцо постепенно рассеивается, и чтобы поддерживать его слабое, но все-таки постоянное свечение, требуется источник вещества. В 2005 году космический аппарат Cassini обнаружил этот источник – им оказались гейзеры, которые бьют из «тигровых полос» – теплых трещин в ледовой корке в районе южного полюса Энцелада. И они же постоянно обновляют ледяной покров спутника, как снежная пушка альпийские склоны – значительная часть льдинок, выброшенных гейзерами, оседает на его поверхности.

Специальный прибор – анализатор космической пыли (CDA, Cosmic Dust Analyser), похожий на консервную банку для советской селедки, за время продолжающейся пока миссии Cassini несколько раз пролетел через кольцо E, детально исследовав количество, размеры, скорость и даже химический состав частиц в них. Как подсчитали ученые, объема этих выбросов вполне достаточно для поддержания колец в неизменной форме.

Откуда берутся гейзеры

А вот откуда берутся гейзеры, до недавних пор люди не знали. Существовали лишь три основных модели.

Первая – это прямое испарение (сублимация) льда, выстилающего внутренние склоны тигровых трещин. При низком давлении такое испарение может идти, минуя жидкую фазу – так, как испаряется «сухой лед» из замерзшей углекислоты, наполняющей тележки мороженщиц.

Вторая модель – клатратная; в ней испаряются летучие соединения (углекислый газ, аммиак и так далее), образующие с кристаллическим водяным льдом твердый раствор. Но не в чистом виде, а в гидратированном, то есть вместе с окружающими их молекулами воды. Такие структуры (одна молекула в окружении другой или других) называются соединениями включения или, по-научному, клатратами.

Наконец, третья, самая интересная – это модель жидкого океана, расположенного где-то глубоко под ледяной корой. Он вполне мог сохраниться здесь со времени образования Энцелада – внешние слои замерзли, а до внутренних дело пока не дошло.

Жидкие аргументы

В 2008 году ученые из Германии, России и Великобритании под руководством Юргена Шмидта и Николая Бриллиантова показали, что только жидкий океан способен объяснить все данные, собранные приборами Cassini. Ни сухое испарение теплого (относительно средней температуры спутника) льда, ни клатратная версия не могут объяснить частички наблюдаемых размеров и составов, выбрасываемые спутником Сатурна с такими скоростями.

Зато теория жидкого океана все объясняет. Притом температура воды в этом океане должна быть близка к нулю по Цельсию. Если трещина пробивает лед насквозь, вода начинает активно испаряться. За счет гидродинамического эффекта сопла, открытого еще Лавалем в 1890 году, пар ускоряется, остывает и конденсируется одновременно. В итоге на поверхность вылетают уже ледяные кристаллики. Мелкие частички выбрасываются с большей скоростью и подпитывают собой кольцо E. Крупные же сильнее тормозятся при ударах о неровные стенки и вылетают с меньшей скоростью; оседая на поверхности спутника, они поддерживают ее белизну. Сейчас считается, что длина каналов в трещинах составляет порядка километра и никак не меньше нескольких сотен метров. Иными словами, добуриться с поверхности до жидкой воды на Энцеладе непросто. Но все же проще, чем на спутнике Юпитера Европе.

Правда, с моделью жидкого океана оставалась одна проблема. Ученым никак не удавалось найти следы солей натрия в частицах, составляющих кольцо E и гейзеры Энцелада. Это сильный аргумент в пользу теории сухого испарения льда (при замерзании соль из воды вытесняется) и против теории жидкого океана. Дело в том, что Энцелад, судя по его средней плотности, не может состоять из воды целиком – не важно, в твердом или жидком виде. Где-то в глубине должно присутствовать довольно крупное и плотное каменное минеральное ядро. И омывающие его воды за долгие годы должны были стать солеными. Геохимик Михаил Золотов из Университета американского штата Аризона даже подсчитал, насколько соленым должен быть этот океан – если он есть. Получились значения всего в несколько раз меньше, чем у земных морей.

Соль земли

Теперь сотруднику команды Бриллиантова и Шмидта немцу Франку Постбергу удалось найти эту соль. Внимательно проанализировав данные, собранные Cassini в кольце E, он обнаружил новый тип мелких льдинок, богатых солями натрия. Эти пылинки размером около 1-2 микрон составляют примерно 5% от общего числа частиц и прежде ускользали от внимания ученых (желтую линию натрия долго искали при помощи спектрального анализа свечения кольца Е). Лишь по-немецки аккуратный анализ данных CDA позволил выделить в масс-спектрах этих частичек их основные составляющие.

Как пишут Постберг, Бриллиантов и Шмидт в статье, опубликованной в последнем номере Nature, содержание натрия в этих частицах превосходит 0,1% (по числу атомов) – это на порядки больше, чем у большинства пылинок кольца E. Представлены эти атомы, в основном, в составе молекул обычной поваренной соли NaCl, пищевой соды NaHCO₃ и карбоната натрия Na₂CO₃.

Как показали авторы, именно такой химический состав будет у микронных капелек, поднятых из океана с соленостью примерно в 5 раз меньше земной. Для этого они в лаборатории записали масс-спектры крохотных брызг воды с разными параметрами и сравнили с результатами эксперимента CDA. Больше всего на реальные данные похожа вода с соленостью в несколько грамм на литр, как и предсказывал Золотов.

Как рассказал Infox.ru профессор Бриллиантов, ученые полагают, что 5% частичек в кольце E, богатых натрием, – это замерзшие капельки, поднявшиеся напрямую из жидкого океана. При таком низком давлении даже при почти нулевой температуре океан находится, по сути, в тройной точке, то есть в состоянии непрерывного вялого кипения. Поднимающиеся снизу пузырьки лопаются вблизи поверхности, и над ней оказываются небольшие капельки, которые держатся на лету так же легко, как мелкие пылинки в воздухе. Поднимаясь вдоль канала к поверхности спутника, аэрозольные частички замерзают и частично загрязняются другими веществами, однако в целом их состав примерно такой же, как и у океана, из которого они образовались.

Большая же часть частиц, составляющих кольцо E, – это продукт конденсации пара, летающего над поверхностью (плюс небольшое число льдинок, сколотых со стенок ледовых трещин). «Соленость» этих пылинок существенно ниже солености замерзших капелек, поскольку они образовались напрямую из пара, в котором солей практически нет: неорганические соли по природе нелетучи. Как пояснил ученый корреспонденту Infox.ru, молекулы H₂O образуют своего рода «шубы» вокруг катионов и анионов; чтобы выдрать весь этот колхоз из раствора и поднять на сотни метров, требуется слишком много энергии.

Кроме того, NaCl (и другие соли) в газовой фазе представлены в виде цельных молекул, а не отдельных ионов, например, Na⁺ и Cl^-, как это было бы в воде.

Теплый океан

По словам Бриллиантова, после оглашения результатов их последней работы на конференции, состоявшейся в Великобритании в прошедшие выходные, даже противники теории жидкого океана нехотя согласились, что жидкая вода под толстым слоем энцеладова льда существует. Правда, сказать, насколько глубок этот океан и насколько он обширен, ученые пока не могут. Можно уверенно утверждать, что его площадь должна быть не меньше пары тысяч квадратных километров – это примерно 0,25% поверхности Энцелада. Однако сверху океанические просторы ограничены лишь размерами самого спутника – океан вполне может быть глобальным.

Другая загадка – это недостаток калия в богатых натрием частицах. Его там в несколько десятков раз меньше, чем ожидалось. И в этом моря Энцелада не похожи на земные. Почему так получилось, пока неясно – возможно, соединения калия давно осели на дно в виде алюмосиликатов. Наконец, до сих пор никто не может сказать, откуда берется энергия, разогревающая недра Энцелада до температуры плавления льда. По словам Николая Бриллиантова, распад радиоактивных элементов в ядре спутника не может обеспечить нужного потока тепла. Судя по всему, не хватает и того тепла, что выделяется за счет приливов со стороны Сатурна.

«Остается одна гипотеза – про маленьких зеленых человечков», – шутит Бриллиантов.