Многие спутники внешней части Солнечной системы скрывают под ледяной поверхностью жидкие океаны. Эти океаны возникают благодаря приливному разогреву — гравитационные взаимодействия с планетой и другими спутниками вызывают трение внутри небольших тел, и их недра плавятся. Но орбитальные взаимодействия непостоянны и циклически меняются со временем, поэтому океаны могут периодически таять и замерзать.
Подледные океаны на спутниках Сатурна и Урана могут закипать
Ученые из Калифорнийского университета в Дэвисе показали, что при формировании океанов внутри небольших ледяных спутников давление под ледяной корой может упасть настолько, что вода закипит при температуре даже около нуля градусов.
Спектрозональный снимок «Кассини» — водяной пар в южном полушарии Энцелада. NASA
Температура кипения жидкости зависит не только от температуры, но и от давления. На вершине Эвереста вода закипает уже при 70 градусах Цельсия из-за разреженного воздуха. В вакууме вода может закипеть даже при комнатной температуре. Это происходит потому, что молекулам легче вырваться с поверхности жидкости и перейти в газообразное состояние, когда внешнее давление не препятствует этому. На небольших спутниках слабая гравитация создает под ледяной корой условия, похожие на высокогорье или вакуум — давление оказывается настолько низким, что вода начинает кипеть, хотя ее температура остается близкой к нулю.
Исследователи построили общую модель спутника с ледяной корой, вязким льдом под ней, жидким океаном и каменным ядром. Когда лед тает и океан расширяется, под внешней оболочкой образуется пустота, поскольку вода примерно на 10 процентов плотнее льда. Это создает зону пониженного давления под корой, и вода может закипеть. Статья опубликована в журнале Nature Astronomy.
Спутники с кипящими океанами
Мимас, спутник Сатурна. Снимок аппарата «Кассини», 2005.
Для крупных спутников, таких как Европа, гравитация достаточно сильна, чтобы давление оставалось высоким и вода не меняла фазовое состояние. Но на небольших телах давление падает так сильно, что вода начинает кипеть даже при температуре чуть выше точки замерзания. Кипение возможно на этих телах именно потому, что они малы и имеют относительно низкое гравитационное ускорение, отмечают авторы работы.
Миранда, спутник Урана. Снимок с космического аппарата «Вояджер-2», 1986.
Только три спутника из рассмотренных астрономами могут иметь кипящие океаны: спутник Сатурна Энцелад с его знаменитыми гейзерами в южном полушарии, еще один небольшой спутник Сатурна Мимас и Миранда, вращающаяся вокруг Урана. Для Энцелада достаточно океана глубиной около 14 километров, для Мимаса — всего 5 километров, для Миранды — около 10 километров.
При кипении выделяются растворенные в воде газы, образуя пузыри на границе лед-вода. Авторы предполагают, что пар может проникать сквозь трещины ледяной коры подобно тому, как магма проникает сквозь земную литосферу, хотя точные последствия этого процесса пока неясны.