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.
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.
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.
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.
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).
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.
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.
