Jég alatti óceán

Egy subglacial óceán vagy subglacial óceán egy óceán alatt található egy vastag jég és amelynek létezését erősen feltételezhető, hogy az belső szerkezete több égitestek a Naprendszer , beleértve a Jupiter természetes műholdak , mint például Európában és Ganymedes . A szubglaciális óceánokról azt mondják, hogy az univerzum folyékony vízének egy formája . Kialakulásukat két tényező kombinációja eredményezné: egyrészt az égitest magjában és köpenyében lévő hőforrás (radioaktív bomlásokból vagy árapályhő általi hevítésből származik ), másrészt " „a szilárd jég felső rétege elég vastag ahhoz, hogy nagy nyomást eredményezzen, és hőszigetelőt képezzen a műhold külső hőmérséklete (például nagyon alacsony, például Európában 100  K nagyságrendű ) és a hőmérséklet közötti hőmérséklet között. a víz cseppfolyósítási pontja.

Szintézis

Létezik egy subglacial óceán gyanúja felszíne alatt sok égitestek a Naprendszerben  : törpe bolygók ( Ceres és a Plútó ), valamint természetes műholdak az óriásbolygók ( Európa , a Ganümédész és a Callisto a Jupiter , Mimas , Titan , Dione és Enceladus. a Szaturnusz és Triton a Neptunusz esetében ).

Fűtési mód

Az égitest belső hőforrásai a potenciális szubjégi óceán eredeténél a következők:

  1. az égitest magjában és palástjában található instabil elemek radioaktív bomlásából származó hő ;
  2. az árapály melegedésétől származó hő .

Szerkezet

A szubjégi óceánt tartalmazó égitestet sematikusan leírhatjuk így:

  1. kívül egy vastag jégréteg több kilométertől több száz kilométerig;
  2. a közepén a megfelelő szubglaciális óceán;
  3. az égitest közepén a mag, esetleg magként és palástként differenciálva.

A modelltől függően a vízjég különböző fázisai több egymást követő jég- és vízréteg megjelenését okozzák, az elért hőmérsékletektől és nyomástól függően; ennek eredményeként lehetséges, hogy az égitesten belül több különálló óceán terül el, vagy hogy jégrétegek izolálják ezt az óceánt a köpenytől.

Megfigyelések és modellezés

Mivel ezeket a szubglaciális óceánokat elvileg nehéz megfigyelni, számos közvetett eszköz lehetővé teszi számunkra, hogy gyanítsuk létezésüket:

A legtöbb tudományos tanulmány az égitest belső szerkezetének modelljeinek kidolgozásából áll, és összehasonlításukkal a megfigyelések ezen eredményeivel. Amikor a legjobb modell magában foglalja az óceán létét a jégtakaró alatt, és a legegyszerűbb magyarázatot adja, akkor ennek az óceánnak a létezését erősen gyanúsítják.

Mindazonáltal nincs közvetlen bizonyíték ezen óceánok jelenlétére (2017); az ilyen bizonyításhoz valószínűleg olyan szonda használatára lenne szükség, amely képes ásni a felső jégrétegbe, és amely képes igazolni egy folyékony vízréteg meglétét.

Európa (Jupiter II)

A sugara Európában van 1.562  km , a tömege 4,8 × 10 22  kg, és annak átlagos sűrűsége van 3,01  g / cm 3 . A Jupiter körüli keringési sugara megközelítőleg 670 900  km  ; Európa szinkronban forog a Jupiter körül. Európa keringési periódusa orbitális rezonanciában van Io és Ganymedeével 2: 1, illetve 1: 2 arányban.

Megfigyelések

A mágneses mező változékonysága, a jégfelület látszólagos elválasztása az egész műholdtól, amelyet a vonalaknak a Jupiter-Európa tengelyhez viszonyított sodródása jelez ) arra a hipotézishez vezet, hogy a jég alatt egy folyamatos sótenger található víz (villamos energia vezetője), amelynek felmelegedése párolgás után a vonalak mentén megfigyelt sólerakódásokhoz vezetne .

A leglátványosabb példa a káosz régióira , amely struktúra Európában meglehetősen gyakori, és amely olyan régiókként értelmezhető, ahol a jég alatti kéregben megolvadt a jég alatti óceán. Ez az értelmezés nagyon ellentmondásos. Az Európát tanulmányozó geológusok többsége az úgynevezett "vastag jég" modell mellett áll, amelyben az óceán soha, vagy legfeljebb ritkán lép közvetlen kapcsolatba a felszínnel.

A 2016. szeptember 26, A NASA feltárja számos megfigyelést készült Hubble alátámasztó a hipotézist, hogy a kibocsátott víz tollak (a gőz formájában) fordulnak elő a felszínen a Európában. Ha ezek a megfigyelések beigazolódnak, akkor az ilyen gátak lehetővé teszik a Hold jégtengerének mintavételét anélkül, hogy a felső jégtakaróba fúrnánk.

Jégvastagság

A jégvastagság becslésére szolgáló különböző modellek néhány kilométer és tíz kilométer közötti értékeket adnak. Kuskov 2005 szerint 80–150 km vastag jégréteg alatt, amely Európa tömegének 6,2–9,2  % -át teszi ki, sós óceán létezhet, amelynek mélysége a palást differenciáltságának állapota szerint 105–145  km. .

A hőmérséklet átlaga Európa felszínén az Egyenlítő 110  K-tól ( -160  ° C ) és a pólusok felé csak 50  K-ig ( -220  ° C ) mozog, ami Európa kéregét túl keményvé teszi, mint a gránit.

A vastag jég modell legjobb nyomai a nagy kráterek vizsgálata: a nagyobb ütközési struktúrákat koncentrikus gyűrűk veszik körül, és úgy tűnik, hogy viszonylag lapos friss jéggel vannak megtöltve. Ezen adatok és az árapályok alapján megbecsülhetjük a jégtakaró vastagságát 10 - 30 kilométerre, amely magában foglal egy bizonyos vastagságú kevésbé hideg és rugalmasabb jeget, ami a jég vastagságához vezetne. körülbelül 150 kilométer. Ez Európa óceánjainak mennyisége 3 × 10 18  m 3 , vagyis a szárazföldi óceánok kétszerese. A vékony jég modellben a jég csak néhány kilométer vastag lenne. De a legtöbb planetológus arra a következtetésre jut, hogy ez a modell csak az európai kéreg felső rétegeit veszi figyelembe, amelyek rugalmasan viselkednek az árapály hatására.

Ilyen például a hajlítási elemzés, amelyben a kéreg súlyként terhelt és hajlított síkként vagy gömbként modelleződik. Ez a fajta modell azt sugallja, hogy a kéreg külső rugalmas része csak 200 m lenne  . Ha Európa jégtakarója csak néhány kilométer, ez azt jelentené, hogy a belső tér és a felszín között rendszeres érintkezés valósulna meg, nyílt vonalakon keresztül , ami kaotikus régiók kialakulását idézné elő.

Óceán fűtése

Radioaktív bomlás útján történő fűtés, amely várhatóan hasonló lesz a Földével (watt / kilogramm kőzetben), nem tudja biztosítani a szükséges felmelegedést Európának, mivel a területegységre jutó térfogat sokkal kisebb a hold kisebb mérete miatt amitől az energia gyorsabban oszlik el.

A földalatti óceán első jelei az árapályfűtési rendszerre vonatkozó elméletekből származnak (ez Európa kissé különc pályájának és másodsorban a többi galileai műholddal való orbitális rezonancia következménye). Az óceán folyadékának megőrzéséhez szolgáltatott hőenergia a pálya excentrikussága miatt az árapályból származna, és a felszíni jég geológiai aktivitásának motorjaként is szolgálna.

Melosh és mtsai 2004 szerint a felszínen a geotermikus fluxust 50 mW / m 2 nagyságrendűre becsülik, amelynek egy  része a felszíni jégtakaró árapályai hatására bekövetkező hajlításból származik; Európa sziklás magja csak a radiogén hő alapján 8 mW / m 2 geotermikus fluxust produkálna  , ami megduplázódhat abban az esetben, ha az árapály felmelegedése a műhold mélyén is bekövetkezik.

2008 végén felvetődött, hogy a Jupiter az árapályhullámok hatására melegen tarthatja az óceánokat az egyenlítő síkjától a pálya síkjáig eldöntött, igaz, gyenge, de nem nulla dőlés miatt. Ez a fajta árapály, amelyet korábban nem vettek figyelembe, Rossby-hullámokat generál , amelyek sebessége alacsony, napi néhány kilométer, de amelyek jelentős mozgási energiát tartalmazhatnak. Az 1 ° nagyságrendű tengelyirányú dőlés jelenlegi becsléséhez a Rossby-hullám rezonanciái 7,3 × 10 18  J kinetikus energiát, vagyis a domináns árapály áramlásának 200-szorosát képesek tárolni .

Ezen energia eloszlása ​​lehet a fő hőforrás az óceánban. Továbbra is meg kellene határozni a hullámképződés és a termikus disszipáció közötti energiaegyensúlyt.

Függőleges profil

A nyomás növekedése mélységgel Európán belül 1,3 MPa / km nagyságrendű  . Ez egy óceán fenekén, amelyet feltételezhetõen 100 km vastagságúnak tartanának  egy 15 km vastag jégréteg alatt  , 150  MPa nagyságrendû nyomáshoz vezet  ; ezt az értéket össze lehet hasonlítani, hogy az alján a Mariana-árok a Földön , nagyságrendileg 110  MPa amelyeknek mélysége 11,034  km .

Két hipotézis fogalmazható meg az óceán hőmérsékleti profiljával kapcsolatban. Egyrészt a hőmérséklet megegyezhet a víz fagyáspontjának hőmérsékletével a jégréteggel érintkezve, vagy másrészt a maximális vízsűrűségnek megfelelő valamivel magasabb hőmérséklettel. Melosh és mtsai 2004 demonstrációt készítenek, amely lehetővé teszi a két hipotézis megválaszolását az óceán konvekciós modelljének kiértékelésével, és szinte izotermikus (0,111 K / MPa nagyságrendű gradiens  ), amelyet a jégrétegtől vékony réteg választ el, stabil és rétegzett kb. 200 m vastag víz (amelyet a szerzők "sztratoszférának" neveznek)  , amelynek hőmérséklete a fagypontjának a hőmérséklete; ebben a modellben a hőmérsékleti profil a következő lenne:

Ganymede (Jupiter III)

Ganymedes sugara van 2634  km , tömege 1,48 × 10 23  kg, és annak átlagos sűrűsége van 1,95  g / cm 3 . A Jupiter körüli keringési sugara megközelítőleg 1 070 000  km  ; Ganymede szinkron forgásban van a Jupiter körül. A Ganymedes pálya periódus 4: 1, illetve 2: 1 arányban orbitális rezonanciában áll az Io-val és Európával .

Megfigyelések

Az 1970-es években a NASA tudósai két jégréteg között sűrű óceán jelenlétére gyanakodtak, az egyik tetején, a másik alján. Az 1990-es években a NASA Galileo szondája átrepült Ganymede felett, és megerősítette a Hold óceán létezését.

Egy 2014-ben publikált tanulmány, amely figyelembe veszi a víz reális termodinamikáját és a só hatásait, azt sugallja, hogy Ganimédésznek több óceánrétege lehet, amelyeket a jég különböző fázisai választanak el . A legalacsonyabb folyadékréteg közvetlenül a kőpalást mellett lenne . A kőzet és a víz érintkezése fontos tényező lehet az élet keletkezésében . A tanulmány megemlíti azt is, hogy a rendkívüli mélység miatt (kb. 800  km-re a sziklás "tengerfenéktől") a konvektív (adiabatikus) óceán fenekén a hőmérséklet akár 40  K- kal is magasabbra emelkedhet, mint a jég-víz határfelület.

Ban ben 2015. márciusA kutatók számolnak be, hogy mérések szerint a Hubble Space Telescope jelenlétét igazolta a subglacial óceán Ganümédész tanulmányozásával, hogyan a sarki mozog a felszínen. A sós víz nagy óceánja, amely több vizet tartalmaz, mint a Föld összes óceánja, befolyásolja Ganimédész mágneses terét, és ezáltal aurorait is.

A Ganymede-óceánon spekulációkat folytattak annak lehetséges lakhatóságáról .

Fűtés

Vance és mtsai 2014-ben a figyelembe vett átlagos geotermikus fluxus a 4 - 44  mW / m 2 tartományban van .

Callisto (Jupiter IV)

Callisto sugara van 2,410  km , a tömege 1,076 × 10 23  kg, és a sűrűsége a 1,83  g / cm 3 . A Jupiter körüli keringési sugara megközelítőleg 1 883 000  km  ; A Callisto szinkron forgásban van a Jupiter körül. Nincs orbitális rezonanciában, mint a többi galilei Io , Európa és Ganymede műhold .

Számos elem felveti azt a gyanút, hogy van egy szubjégi óceán. Először, a megfigyelések szempontjából a Galileo szondával végzett mérések során megfigyelték, hogy Callisto a tökéletesen vezető testhez közeli módon reagált a Jupiter változó mágneses mezőjére  ; ez az eredmény arra utal, hogy van egy nagyon vezetőképes folyadékréteg, amelynek vastagsága legalább 10  km, és amely kevesebb, mint 300 km mélységben helyezkedik el,  és a legvalószínűbb magyarázat ez egy szubjégi óceán jelenlétében rejlik.

Ezen túlmenően, egy modelization által Kuskov 2005 jelzi, hogy egy subglacial óceán vastagsága 120-180  km létezhet közötti kérge jég I. vastagsága 135-150 km (és a maximum 270-315  km ) és köpenye jég.  vastagsága kisebb, mint 1400  km-re , és sűrűsége 1,960 - 2,500  kg / m 3  ; e modell szerint a mag sziklák és vas keveréke lenne, amelynek sugara nem haladja meg az 500–700  km-t . Még mindig Kuskov 2005 szerint ez az óceán stabil lenne a 3,3–3,7  mW / m 2 közötti hőáram alatt , ami megfelelne a radiogén források által termelt hullámnak.

Mimas (I. Szaturnusz)

Enceladus (Szaturnusz II)

Dione (Szaturnusz IV)

Titán (VI. Szaturnusz)

Triton (Neptunusz I)

Megjegyzések és hivatkozások

  1. .
  2. (in) Richard Greenberg , Europa: The Ocean Hold: Keresés idegen Bioszféra Springer Praxis Books2005.
  3. (a) Ronald Greeley et al. , Jupiter: A bolygó, a műholdak és a magnetoszféra , Cambridge, Cambridge University Press ,2004, "15. fejezet: Európa geológiája".
  4. (in) "A  NASA Hubble-foltjai a Jupiter Hold-Európáján feltörő lehetséges víztollak  " a nasa.gov oldalon .
  5. (in) Nadia Drake, "  Europa 'Meglepő' Activity magyarázata: Tippek Víz Toll  " on news.nationalgeographic.com ,2016. szeptember 26(megtekintés : 2016. szeptember 26. ) .
  6. (en) Sandra E. Billings és Simon A. Kattenhorn , „  A nagy vastagságról szóló vita: Jéghéj vastagsági modellek az Europához és összehasonlítás a gerincek hajlításán alapuló becslésekkel  ” , Icarus , vol.  177, n o  22005, P.  397-412 ( DOI  10.1016 / j.icarus.2005.03.013 ).
  7. (in) OL Kuskov és Kronrod, VA, "  Europa és Callisto belső szerkezete  " , Icarus , vol.  177, n o  22005, P.  550–369 ( DOI  10.1016 / j.icarus.2005.04.014 , Bibcode  2005Icar..177..550K )
  8. (en) Lucy-Ann McFadden, Paul Weissman és Torrence Johnson, A naprendszer enciklopédiája , San Diego, Academic Press (Elsevier Science) ,2007, 992  p. ( ISBN  978-0-12-088589-3 és 0-12-088589-1 ) , p.  432.
  9. (in) Paul M. Schenk, Clark R. Chapman, Kevin Zahnle és Jeffrey Moore "  18. fejezet: Korok és Konyha: a kráterek rekord a galileai műholdak  " , Jupiter: The Planet, műholdak és a magnetoszféra , Cambridge University Press ,2004(megtekintés : 2010. február 12. ) (18. fejezet: Korok és belső terek: kráterek általi felvétel a galilei műholdakról).
  10. (in) '  Tidal Heating  " , geology.asu.edu (hozzáférés: 2010. február 15. ) .
  11. (en) HJ Melosh, AG Ekholm`, AP Showman és RD Lorenz, „  Az Európa felszín alatti víz-óceánjának hőmérséklete  ” , Icarus , vol.  168, n o  22004. április, P.  498 - 502 ( online olvasás , hozzáférés : 2017. május 18 )
  12. (in) Lisa Zyga, "  tudós megmagyarázza, hogy miért Jupiter Hold Europa Energetikai Could Have Liquid Oceans  " on PhysOrg.com ,2008. december(megtekintés : 2010. február 15. ) .
  13. (in) Robert H. Tyler , "  Erős óceán árapály áramlás és fűtés holdak a külső bolygók  " , Nature , vol.  456,2008. december, P.  770–772 ( DOI  10.1038 / nature07571 , összefoglaló ).
  14. Ez az eredmény - a nagyságrend szerint összehasonlítható nyomás két, nagyságrenddel elválasztott mélységben - szemlélteti a két csillag közötti gravitációs különbséget, több mint hétszer alacsonyabb Európában, mint a Föld esetében .
  15. Showman 1999 , p.  77-84.
  16. (en) Whitney Clavin , Ganymedes május Harbor 'Club Sandwich' óceánok és a jég  " , Jet Propulsion Laboratory , a NASA, 1 st május 2014( Read Online , elérhető 1 -jén május 2014 ).
  17. (in) F. Sohl , T Spohn , D. Breuer és K. Nagel , "A  Galileo-megfigyelések következményei a galileai műholdak belső szerkezetére és kémiai anyagára  " , Icarus , vol.  157, n o  1,2002, P.  104–119 ( DOI  10.1006 / icar.2002.6828 , Bibcode  2002Icar..157..104S ).
  18. (in) J. Freeman , "  Nem newtoni stagnáló fedélkonvekció és Ganymede és Callisto hőfejlődése  " , Planetary and Space Science , vol.  54, n o  1,2006, P.  2–14 ( DOI  10.1016 / j.pss.2005.10.003 , Bibcode  2006P & SS ... 54 .... 2F , online olvasás [ archívum2007. augusztus 24] [PDF] ).
  19. (en) "  Földalatti óceán a Jupiter legnagyobb holdján  " , a EarthSky,2015. március 15(megtekintve 2015. augusztus 14-én ) .
  20. (in) NASA, "  Videó (0:51) - Jupiter 'Club Sandwich' Moon  ' , NASA ,1 st május 2014(megtekintve 2014. május 2-án ) .
  21. (en) "A  Hubble-megfigyelések szerint a Jupiter legnagyobb holdján, a Ganymede-on található föld alatti óceán  " , a PhysOrg , a NASA,2015. március 12( online olvasás , konzultáció 2015. március 13-án ).
  22. (in) NASA, "  A NASA Hubble megfigyelések azt sugallják, Underground óceán Jupiter legnagyobb holdjának  " a NASA News ,2015. március 12(megtekintve 2015. március 15-én ) .
  23. (in) "  Földalatti óceán a Jupiter legnagyobb holdján, Ganymede  " a www.sciencedaily.com oldalon ,2015. május 12(megtekintés : 2016. augusztus 22. ) .
  24. (en) Joachim Saur et al. , „  Egy felszín alatti óceán keresése Ganymede-ben, a Hubble űrtávcsöves megfigyelésével aurális oválisaiban  ” , J. Geophys. Res. ,2015( DOI  10.1002 / 2014JA020778 , összefoglaló ) A cikk társszerzői Joachim Saur mellett: Stefan Duling, Lorenz Roth, Xianzhe Jia, Darrell F. Strobel, Paul D. Feldman, Ulrich R. Christensen, Kurt D. Retherford, Melissa A. McGrath, Fabrizio Musacchio, Alexandre Wennmacher, Fritz M. Neubauer , Sven Simon és Oliver Hartkorn.
    A cikk érkezett a Journal of Geophysical Research on 2014. november 4, felülvizsgálták 2015. január 24, amelyet a folyóirat olvasási bizottsága elfogadott 2015. január 28 és előzetesen megjelent 2015. március 12.
  25. (in) Griffin, Andrew "  Ganymedes óceánok Jupiter holdján-lett-volna haza sikerült idegen élet  " , The Independent ,2015. március 13(megtekintve 2015. augusztus 14-én ) .
  26. (in) C. Zimmer , Khurana, KK és Margaret G. Kivelson , "  Suburface Oceans on Europa and Callisto: Constraints from Galileo Magnetometer Observations  " , Icarus , vol.  147, n o  22000, P.  329–347 ( DOI  10.1006 / icar.2000.6456 , Bibcode  2000Icar..147..329Z , online olvasás [PDF] )