Учёные смогли воссоздать экстремальные условия, существующие на ледяных спутниках в глубоком космосе, и обнаружили нестабильное поведение воды.
В условиях почти нулевого давления в космосе вода ведёт себя совсем не так, как на Земле. Она одновременно кипит и замерзает.
Ледяные спутники покрыты ледяной оболочкой, под которой находятся жидкие океаны. Как лава через вулканическую активность изменяет поверхность Земли, так и вода изменяет ледяные спутники через процесс, называемый криовулканизмом.
Чтобы понять, как изменённое поведение воды может вызывать геологические изменения на ледяных спутниках, исследователи из Университета Шеффилда, Открытого университета и Чешской академии наук использовали специально сконструированную камеру низкого давления для создания условий, подобных условиям на Европе и Энцеладе.
* Европа — это ледяной спутник, который вращается вокруг Юпитера. Энцелад вращается вокруг Сатурна.
* Оба ледяных спутника имеют замёрзшую внешнюю оболочку. На Энцеладе температура на экваторе составляет −193 °C. Астрономы видели доказательства существования гигантских струй водяного пара и водяных частиц, выбрасываемых в космос вулканическим процессом, известным как взрывной криовулканизм.
Существует также связанный процесс, называемый эффузивным криовулканизмом, когда жидкость выходит на поверхность ледяных спутников в виде потока — подобно лавовому потоку на Земле, хотя доказательства такой активности трудно обнаружить.
Исследовательская группа хотела выяснить, смогут ли они определить, как происходит эффузивный криовулканизм, изучая поведение воды в условиях почти вакуума. Результаты опубликованы в журнале Earth and Planetary Science Letters.
Они использовали камеру низкого давления — «Большой грязный марсианский отсек» (George), размещённый в Открытом университете. Впервые учёные смогли провести эксперименты с относительно большими объёмами воды и через смотровые окна сняли на видео происходящее.
Когда давление внутри камеры было понижено, вода начала пузыриться и кипеть, несмотря на то что была холодной. Кипение создавало пар, который уносил тепло от воды, и вода охлаждалась, достигая точки замерзания — образовывались плавающие кусочки льда. Они продолжали увеличиваться в размерах, а новый лёд формировался по их краям.
Через несколько минут большая часть воды была покрыта тонким льдом. Под ледяным покрытием жидкая вода продолжала кипеть, пузыри прорывались через ледяной слой или деформировали его, позволяя воде выходить через трещины на ледяную поверхность.
Ранее проведённые исследования с гораздо меньшими объёмами воды показали, что толстый лёд будет образовываться и быстро запечатывать воду, предотвращая дальнейшее кипение.
Доктор Фрэнсис Батчер, научный сотрудник Школы географии и планирования Университета Шеффилда и один из авторов исследования, сказала: «Образующийся слой льда слаб и полон отверстий и пузырьков».
«Если бы лёд был прочнее, он, вероятно, закрыл бы жидкую воду внизу и предотвратил дальнейшее кипение. Но наши эксперименты показывают, что, когда вода кипит, выделяемый газ попадает в ловушку под ледяной коркой. Давление нарастает, лёд трескается, газ выходит, и жидкая вода может ненадолго просочиться через трещины на поверхность льда — только для того, чтобы снова оказаться в среде с низким давлением».
«Как только появляются новые трещины, вода снова начинает кипеть, и весь процесс повторяется».
На Земле вода подчиняется хорошо известным физическим правилам: она замерзает ниже 0 °C и кипит выше 100 °C.
Доктор Петр Брож из Института геофизики Чешской академии наук и ведущий автор исследования сказал: «Мы обнаружили, что процесс замерзания воды при очень низком давлении гораздо сложнее, чем предполагалось ранее».
«В таких условиях вода быстро закипает даже при низких температурах, поскольку она нестабильна при низком давлении. Одновременно она испаряется и начинает замерзать под действием интенсивного охлаждающего эффекта, вызванного самим испарением. Образующаяся ледяная корка неоднократно разрушается пузырьками пара, которые поднимают и разрушают лёд, значительно замедляя, усложняя и продлевая процесс замерзания».
Исследователи надеются, что их исследование поможет выявить древние признаки криовулканической активности не только на ледяных спутниках, но и на других небесных телах в Солнечной системе.
Процесс, который наблюдали учёные, — подъём пузырьков и деформация ледяной шапки — привёл к образованию неровной ледяной корки с буграми и впадинами.
Маниш Патель, профессор планетологии в Открытом университете, который курирует установку для моделирования Марса, сказал: «Эти топографические неровности, вызванные захваченным паром под льдом, могут оставлять отчётливые сигнатуры, которые могут быть обнаружены орбитальными космическими аппаратами, например, оснащёнными радарами, что может предложить новый способ выявления древней криовулканической активности».
«Это может предоставить ценные подсказки для планирования будущих миссий на эти удалённые миры и помочь нам лучше понять всё ещё загадочный процесс криовулканизма».
Предоставлено Университетом Шеффилда.