Энцелад - долина гейзеров на снежном шаре

Белый Энцелад. При скромных размерах – диаметр его около 500 км – он оказался невероятно ярким, что и позволило открыть его уже в XVIII веке. Большинство специалистов долгое время даже полагало, что Энцелад намного крупнее, чем он оказался на самом деле: трудно было представить, что спутник отражает почти 100% падающего на него свет. Смотрите: частично покрытая белыми облаками планета Земля отражает всего 40% падающего на неё излучения, а полностью скрытая тучами поверхность Венеры – 70%. 

Белый цвет Энцелада навёл учёных на мысль, что он может быть покрыт коркой льда, и вскоре спектральные наблюдения подтвердили это предположение. При этом лёд оказался водяным – а не, скажем, углекислотным, который составляет большую часть марсианских полярных шапок.

Настоящее удивление ученых было вызвано только в 1980-х годах, когда мимо Сатурна пролетели космические аппараты Voyager 1 и Voyager 2. Как оказалось, Энцелад движется в самой гуще одного из колец планеты – тусклого и широкого внешнего кольца E, а его поверхность во многом напоминает спутник планеты Юпитер - Европу, тот же белый цвет, те же длинные трещины и те же протяжённые гладкие области, покрытые водяным льдом.

Сочетание «места жительства" Энцелада в плотной области кольца E Сатурна и его сходства с ледяным спутником Юпитера - Европой сразу вызвало предположение, что Энцелад причастен к образованию кольца. Как полагают большинство астрономов, под многокилометровой коркой льда на спутнике Европа есть океан жидкой воды, и не исключено, что нечто подобное присутствует и на Энцеладе. Но может ли эта вода питать кольцо?

Как оказалось, может. В 2005 году космический аппарат Cassini подробно изучил сатурнианскую луну, несколько раз облетев её. Сначала научные инструменты аппарата заметили, что он пролетел через облако водяного пара, а затем были сфотографированы уникальные «гейзеры», выбрасывающие водяной пар вблизи южного полюса космического тела. Протяжённость этих образований на фотографиях – десятки километров, однако на самом деле они продолжаются гораздо дальше, поскольку пар и выбрасывается со скоростями больше второй космической на поверхности спутника, освобождаясь от оков гравитации этого космического тела.

Считается, что гейзеры бьют из так называемых тигровых полос – длинных, протяжённостью несколько сот километров тёмных трещин в ледяном покрове, а источником служит подлёдный резервуар воды. Эти полосы располагаются на южном полюсе спутника, их дно почти на 60 градусов теплее, чем окружающие участки льда, и не исключено, что именно из-за них Энцелад оказывается одним из немногих тел Солнечной системы, на котором один из полюсов теплее экватора.

Однако в какой форме образуются там водяной пар и крохотные, покрытые тончайшим слоем льда частички пыли - остаётся загадкой. Это может быть как жидкая вода, так и лёд. В том, что лёд может испаряться, минуя жидкую фазу (сублимировать) ничего удивительного нет – при небольшом давлении такое может происходить, и в этом может убедиться каждый, видевший, как «дымится» сухой лёд – замёрзшая углекислота.

Согласно одной из теорий, именно это и происходит – недалеко от поверхности лёд растапливается и тут же испаряется, по каким-то причинам лишившись сдерживавшего испарение давления ледовой шапки. Правда, остаётся непонятным, как такие источники могут поддерживать почти стационарное истечение пара и пыли в течение долгого времени. Сталкиваются с проблемами и другие теории.

Один из нерешённых вопросов – как так получается, что пар выбрасывается с огромной скоростью, позволяющей ему оторваться от притяжения спутника, а пыль – гораздо медленнее, оседая в итоге на его поверхности. Этим вопросом занялась команда учёных из Германии, России и Великобритании, результаты работы которой опубликованы в последнем номере журнала Nature.

Решение этого вопроса не только полностью изменило наше понимание того, как формируются гейзеры, но и позволило создать его модель, в которой наконец-то «всё сошлось» с данными наблюдений.

Юрген Шмидт, Николай Бриллиантов, Франк Шпан и Саша Кемпф считают, что ключ к разгадке – неровность стенок расщелины, из которой бьёт гейзер. Если сравнивать её поперечный разрез с музыкальным инструментом, то он будет похож не на ровный кларнет или флейту, а скорее на пунги – «факирскую флейту», причём не с одним, а множеством утолщений, да к тому же изрядно покорёженную.

Именно изменение толщины расщелины одновременно ускоряет газ (водяной пар) и замедляет пылинки. Первый эффект – чисто гидродинамический, знакомый каждому, кто в курсе теоретической механики изучал задачу о сопле Лаваля (конечно, имеется в виду сопло, а не выделения слизистой оболочки носа французского учёного). Газ в нём сначала ускоряется при сужении канала, а затем переходит звуковой барьер и в дальнейшем ускоряется уже при его расширении. Подсчёты показывают, что в случае с Энцеладом такое происходит на выходе из расщелины.

В то же время пыль, которая поначалу выбрасывается с той же скоростью, что и пар, не является газом, и вместо обтекания стенок ударяется об их неровности и тормозится. Возникает что-то вроде силы трения. Увлечь за собой пылинки газ не может – слишком мала плотность потока, и пыль вырывается на поверхность с гораздо меньшей скоростью.

Данные о соотношении скоростей двух компонент, плотности вещества и яркости выбрасываемого с поверхности вещества, полученные аппаратом Cassini, позволяют оценить и размер пылинок – они оказывается в среднем чуть меньше микрона, и характер неровностей расщелины, и её размеры.

Кроме того, они доказывают, что подо льдом на южном полюсе Энцелада находится именно жидкая вода, и указывают, где именно.

Чтобы получить наблюдаемые значения параметров приходится либо предполагать, что стенки каналов идеально ровные на масштабах в десятки километров, а это выглядит невероятным, либо допустить, что пар вырывается через расщелины толщиной от десятков сантиметров до нескольких метров, а его температура на выходе из канала составляет -30…-10 градусов по шкале Цельсия. Поднимаясь, газ охлаждается, так что подлёдный источник должен быть ещё теплее, и расчёты показывают, что температура там – около нуля, тройной точки воды, где газообразная, жидкая и твёрдая фаза существуют в равновесии. А значит, под давлением ледяной корки находится именно жидкая вода, уверены учёные.

Кроме того, решение гидродинамической задачи подсказывает толщину этой корки. Вода на Энцеладе расположена всего в сотне метров от поверхности.

Это гораздо ближе, чем на юпитерианской Европе, где бурить лёд до воды пришлось бы, по самым оптимистичным расчётам, несколько сот метров, а согласно большинству моделей – от нескольких до нескольких десятков километров.

Из измерений Cassini можно оценить и характерные размеры гейзеров. Их полная производительность – около 5 кг пыли и 100 кг газа в секунду, а общая протяжённость активных участков разлома должна составлять порядка километра – это весьма небольшой участок 500-километровой тигровой полосы. Примерно то же самое видит и Cassini, наблюдая в расщелинах отдельные «гейзеры».

Распределение скоростей пылевых частиц позволяет подсчитать долю пыли, которая покидает планету. Это примерно пятая часть выброшенного – около килограмма пыли в секунду. И опять сходится – примерно столько пыли нужно, чтобы поддерживать в равновесии кольцо E Сатурна. Кроме того, и размер выброшенных пылевых частиц соответствует тем, что составляют это кольцо – с той поправкой, что дольше в нём проживут чуть большие по размеру пылинки.

Энцелад, напоминающий снежный шар, можно назвать одной из самых красивых загадок нашей с вами Вселенной.