Планетологи из Массачусетского технологического института (MIT) разработали теоретическую модель, позволяющую оценить солёность воды в океане на спутнике Сатурна Энцеладе. На основе данных аппарата «Кассини» и предыдущих исследований, включая измерения толщины льда в разных регионах спутника, они установили, что содержание солей в его океане умеренно даже в сравнении с земными океанами и находится как раз в оптимальных пределах для поддержания жизни.
Энцелад — шестой по величине спутник Сатурна диаметром всего 500 километров. Это одно из тел Солнечной системы, на котором есть вода; другой такой объект — спутник Юпитера Европа. Энцелад привлекает внимание астробиологов с 2014 года, когда при облёте зонд «Кассини» обнаружил на нём огромный подповерхностный океан, а также смог проанализировать состав воды из похожих на земные гейзеры выбросов материала сквозь ледяные щели на южном полюсе.
![Enceladus moon of Saturn](https://22century.ru/wp-content/uploads/2022/07/enceladus.jpg)
Энцелад на фотографиях выглядит практически белым из-за слоя льда, покрывающего всю его поверхность. Толщина льда составляет 10—30 километров и меняется в зависимости от широты. Но на льде есть характерные длинные трещины и разломы. Несколько таких наиболее крупных и параллельных трещин на южном полюсе называют тигровыми полосами — они видны на соответствующем ракурсе на открывающей картинке. Через некоторые из них на поверхность даже прорываются потоки воды. Раньше исследователи уже высказывали предположения, что в такой воде могут содержаться органические вещества, которые способны поддерживать жизнь.
![Discovery of geyser at Enceladus](https://22century.ru/wp-content/uploads/2022/07/enceladus-geysers.jpg)
Океан на Энцеладе очень непохож на земной. На Земле океаны относительно неглубокие, средняя их глубина составляет 3,6 км. Кроме того, океан покрывает 3/4 части поверхности, оставляя место континентам. В верхней части слои воды из-за солнечного излучения значительно теплее, чем возле дна; кроме того, глобальные океанические течения во многом определяются движениями атмосферы. На Энцеладе океан имеет глубину около 30 километров и занимает (предположительно) всю поверхность. Распределение температуры в нём противоположно земному: из-за сплошного ледяного покрова он холоднее в верхних слоях, и, как предполагается, подогрет вблизи дна за счёт внутренних источников тепла Энцелада.
Данные зондов «Кассини» и «Галилей» показали, что Энцелад и Европа могут удовлетворять трём основным условиям, при которых на космическом теле может поддерживаться жизнь: для этого на них имеются: 1) источники энергии, 2) вода в жидком состоянии и 3) набор химических элементов, которые считаются необходимыми для жизни. В полярных областях Энцелада из ледяных щелей вырываются струи воды. Из-за малой силы притяжения они способны подниматься на сотни километров, и космический аппарат может даже взять пробы воды.
![Enceladus global ocean currents](https://22century.ru/wp-content/uploads/2022/07/enceladus-currents.jpg)
Планетологи разработали теоретическую модель, позволяющую оценить параметры океана на основе данных «Кассини», а также предыдущих исследований, включающих исследования океанских течений, геометрии льда и солёности воды. Первый вопрос — есть ли в этом океане течения. Затем неплохо было бы знать распределение температуры и солёности воды — это даст пищу астробиологам в рассуждениях о том, стоит ли пытаться искать там жизнь в отдалённом будущем. Все эти параметры взаимосвязаны и, как оказалось, мы можем судить о состоянии океана исходя из данных с орбиты, то есть измерений зонда «Кассини». С высоты можно пока что измерить только толщину льда и тепловой поток с разных участков. Оказывается, такие данные «чёрного ящика» могут ответить на многие вопросы о свойствах и жизнепригодности океана подо льдом.
![Thermohaline circulation in oceans](https://22century.ru/wp-content/uploads/2022/07/Thermohaline_Circulation_2.png)
Солёность океана — один из факторов, обеспечивающих перенос водных масс. Этот механизм хорошо изучен в земной океанологии. Так, источником подводных течений может быть разница в солёности различных слоёв и областей океана. Вода разной солёности различается по плотности, поэтому разные слои могут конвективно перемешиваться. Если водные массы различаются по плотности в разных ареалах, то возникают планетарные течения с переносом масс и по горизонтали — течения опрокидывающей циркуляции.
В свою очередь солёность зависит от температуры — она определяет баланс льда и жидкой воды на определённом участке. Так, гравитационные измерения и определение тепловых потоков со станции «Кассини» помогли установить, что ледовая оболочка на Энцеладе неоднородна. Лёд возле экватора более толстый, а возле полюсов — более тонкий (контринтуитивно по сравнению с нашим восприятием климата на Земле). Лёд при замерзании выделяет соль, увеличивая солёность окружающей водной массы, а более солёная и тяжёлая вода опускается вниз. Противоположный процесс наблюдается там, где лёд тает. Поэтому на Энцеладе как минимум должны существовать планетарные паттерны циркуляции — от полюсов к экватору. На Земле достаточно близкая аналогия этим процессам — глобальные термохалинные течения в Мировом океане (вызванные разностью температуры и солёности воды в разных регионах).
![Circulation patterns in salty and fresh oceans](https://22century.ru/wp-content/uploads/2022/07/salty-fresh-circulation.jpg)
Наконец, от солёности зависит изменение плотности воды с температурой: в почти пресной воде плотность с ростом температуры растёт, в очень солёной — падает. Речь идёт о поведении в небольшом интервале температур — от точки замерзания до примерно 4°C, как раз интересном для исследования океана Энцелада. Как мы уже выяснили, вблизи дна вода на Энцеладе теплее, чем возле поверхности за счёт гидротермальных источников. Но если вода в океане близка к пресной, то на дне будет более тяжёлая вода — а значит, конвекции не будет, соответственно нет механизма и для глобальных течений. С другой стороны, если вода слишком солёная, то глобальные паттерны циркуляции будут также сильно отличными. Итак, у нас в распоряжении есть инструмент, позволяющий ограничить и сверху, и снизу возможные значения солёности воды — для этого достаточно наблюдать за океанскими течениями на масштабе всей планеты. Такие прямые измерения на Энцеладе пока что тоже недоступны. Но на следующей итерации модели такие глобальные течения можно связать с наблюдаемыми параметрами, в частности, с распределением льда по толщине. А это как раз то, что «видят» орбитальные аппараты, пусть для этого и необходимы дальнейшие ухищрения — о распределении ледяного покрова можно судить, измеряя небольшие изменения поля силы тяжести планеты, в котором летает зонд. Но это уже дело техники. На самом деле у нашего чёрного ящика Энцелада есть и другие методы контроля, позволяющие судить о его содержимом. Например, ограничения оценок солёности следуют и из наблюдения за гейзерами из «тигровых полос». Чтобы вода в них не замёрзла, солёность не должна быть меньше определённого предела. А верхнюю границу солёности по гейзерам определяют, изучая максимальный размер кремниевых наночастичек в этих выбросах.
![Enceladus salinity ice thickness and heat flows](https://22century.ru/wp-content/uploads/2022/07/enceladus-saltiness.jpg)
Интересующиеся и специалисты могут обратиться за подробностями к статье планетологов MIT, вышедшей в июле 2022 года в Science Advances. О том, как реконструируют подводные течения Энцелада, можно прочитать в статье другой группы исследователей, вышедшей годом ранее в Nature Geosciences.
Итак, из этой многоуровневой модели следует, что очень солёные океаны должны соответствовать более толстому слою льда возле полюсов, а менее солёные — более тонкому. Данные по изменению толщины льда на разных широтах Энцелада, то есть тот факт, что возле полюсов лёд всё же тоньше экваториального, дают значения солёности воды в районе 30 грамм на килограмм воды (или 30‰). В земных океанах солёность достигает 35 промилле — как мы знаем, для жизни разнообразной биоты в наших океанах это не помеха. А, например, на Марсе свободная вода на поверхности в настоящее время может существовать только при условии её очень высокой солёности, исключающей выживание привычных нам организмов (об этом можно прочитать в отдельной статье). Также модель предсказывает возможные планетарные течения подо льдом на основе данных по вариациям температуры и свидетельств вулканических источников тепла на дне океана Энцелада.