Elastyczny lód na Europie może wytwarzać więcej ciepła niż nam się wydawało

Powyższe zdjęcie przedstawia zaskakującą powierzchnię Europy. Kadr po lewej przedstawia obszary, gdzie fragmenty skorupy pękły i zmieniły swoje położenie. Źródło: NASA/JPL
Powyższe zdjęcie przedstawia zaskakującą powierzchnię Europy. Kadr po lewej przedstawia obszary, gdzie fragmenty skorupy pękły i zmieniły swoje położenie. Źródło: NASA/JPL

Europa, księżyc krążący wokół Jowisza, stale odczuwa z jego strony przyciąganie grawitacyjne. Naukowcy uważają, że to przyciąganie jest na tyle silne, że unosząca się i opadająca skorupa lodowa wytwarza wystarczającą ilość ciepła, aby utrzymywać we wnętrzu księżyca globalny ocean ciekłej wody.

Teraz, eksperymenty przeprowadzone przez planetologów z uniwersytetów Brown i Columbia wskazują, że ten proces, zwany dyssypacją energii pływowej może produkować dużo więcej ciepła w lodzie Europy niż wcześniej zakładano. Najnowsze prace mogą w końcu pomóc naukowcom lepiej oszacować grubość zewnętrznej skorupy księżyca.

Artykuł opisujący wyniki badań zostanie opublikowany 1 czerwca w periodyku  Earth and Planetary Science Letters.

Największe księżyce Jowisza – Io, Europa, Ganimedes i Kalisto – zostały odkryte przez Galileusza na początku XVII wieku. Gdy NASA wysłała sondy w kierunku Jowisza w latach siedemdziesiątych i dziewięćdziesiątych, jego księżyce okazały się pełne niespodzianek.

„Naukowcy spodziewali się zimnych, martwych globów, lecz zaraz po dotarciu do nich okazało się, że charakteryzują się one fascynującą różnorodnością,” mówi Christine McCarthy z Uniwersytetu Columbia, która nadzorowała opisywane badania na Uniwersytecie Brown. „Od razu widać było aktywność tektoniczną, ruchome płyty i pęknięcia. Niektóre miejsca na Europie wyglądały jak roztopiony lód.”

Jedynym wytłumaczeniem ciepła niezbędnego do napędzania tego typu procesów tak daleko od Słońca była dyssypacja pływowa. To efekt podobny do efektu obserwowanego gdy wielokrotnie zaczynamy zginać metalowy wieszak.

„Jeżeli zaczniesz go zginać w tą i z powrotem poczujesz ciepło w miejscu zgięcia,” mówi McCarthy. „Dzieje się tak ponieważ wewnętrzne nierówności w metalowym pręcie ocierają się o siebie – w podobnym procesie energia rozpraszana jest także w lodzie.”

Niemniej jednak szczegóły procesów zachodzących w lodzie nie są dobrze poznane, a próby ich modelowania w celu uchwycenia dynamiki na Europie przynoszą nam zaskakujące informacje.

„Naukowcy zazwyczaj wykorzystywali proste modele mechaniczne do zrozumienia lodu,” mówi McCarthy. Choć już te obliczenia wskazywały na ciekłą wodę pod powierzchnią Europy,  „naukowcy nie byli w stanie wytłumaczyć tak dużego przepływu ciepła, który mógłby odpowiadać za tą aktywność tektoniczną. Dlatego też przeprowadziliśmy kilka eksperymentów z nadzieją, że uda nam się lepiej zrozumieć procesy zachodzące we wnętrzu Europy.”

Pracując wspólnie z Reidem Cooperem, profesorem planetologii na Uniwersytecie Brown, McCarthy załadowała próbki lodu do urządzenia sprężającego. Następnie poddała próbki cyklicznym naprężeniom podobnym do tych działających na skorupę Europy. Po przyłożeniu i zwolnieniu naprężenia, lód odkształca się, a następnie w pewnym stopniu wraca na swoje miejsce. Mierząc opóźnienie między przyłożeniem naprężenia a odkształceniem lodu McCarthy mogła obliczyć ilość wytworzonego ciepła.

Eksperymenty przyniosły zaskakujące wyniki. W eksperymentach zakładano, że większość ciepła powstaje w procesie tarcia między ziarnami lodu. Oznaczałoby to, że zmiana rozmiaru ziaren wpłynie na ilość wytworzonego ciepła. Jednak McCarthy zauważyła, że wyniki są bardzo do siebie podobne nawet przy znacznie zmienionym rozmiarze ziaren w próbkach, co oznacza, że tarcie między ziarnami lodu nie jest głównym źródłem powstającego ciepła.

Wyniki wskazują, że największa część ciepła powstaje z uszkodzeń powstających w sieci krystalicznej lodu wskutek deformacji. Takie uszkodzenia powodują powstanie większej ilości ciepła niż tarcie między ziarnami.

Więcej dyssypacji oznacza więcej ciepła, a to może mieć duże znaczenie w przypadku Europy.

„Najpiękniejszy jest fakt, że gdy już poznamy właściwe procesy fizyczne, to doskonale można je ekstrapolować, mówi Cooper. „Wiedza fizyczna to podstawa do zrozumienia grubości skorupy na Europie. Z kolei grubość skorupy w odniesieniu do całego księżyca, może nam dużo powiedzieć o chemii oceanu podpowierzchniowego. A jeżeli szukamy gdzieś życia, to poznanie chemii oceanu jest wyjątkowo ważne.”

McCarthy i Cooper mają nadzieję, że osoby zajmujące się modelowaniem skorzystają z ich pracy i postarają się odkryć tajemnice ukrytego oceanu na Europie.

Więcej informacji:

Źródło: Brown University