Энцелад
Диаметр: |
500 км. |
Расстояние от спутника до
планеты: |
238000
км. |
Спутник Сатурна
Энцелад давно изучается учёными. При скромных размерах – диаметр его
около 500 км – он оказался невероятно ярким, что и позволило открыть его
уже в XVIII веке. Большинство специалистов долгое время даже полагало,
что Энцелад гораздо крупнее, чем он оказался на самом деле: трудно было
представить, что спутник отражает почти 100% падающего на него свет.
Например, частично покрытая белыми облаками Земля отражает всего 40% падающего на неё излучения, а полностью скрытая тучами Венера – 70%.
Белый цвет Энцелада навёл учёных на мысль, что он может быть покрыт
коркой льда, и вскоре спектральные наблюдения подтвердили это
предположение. При этом лёд оказался «нашим», водяным – а не, скажем,
углекислотным, который составляет большую часть марсианских полярных
шапок.
Однако по-настоящему учёные начали удивляться этому небесному телу
только в 1980-х годах, когда мимо Сатурна пролетели космические аппараты
Voyager 1 и Voyager 2. Как оказалось, Энцелад движется в самой гуще
одного из колец планеты – тусклого и широкого внешнего кольца E, а его
поверхность во многом напоминает спутник Юпитера - Европу, тот же белый цвет, те же длинные трещины и те же протяжённые гладкие области, покрытые водяным льдом.
Сочетание «места прописки» Энцелада в плотной области кольца E и сходства спутника с ледяной Европой
сразу вызвало предположение, что Энцелад причастен к образованию
кольца. Как полагают большинство астрономов, под многокилометровой
коркой льда на Европе есть океан жидкой воды, и не исключено, что нечто
подобное присутствует и на Энцеладе. Может ли эта вода питать кольцо?
Как оказалось, может. В 2005 году космический аппарат Cassini подробно
изучил сатурнианскую луну, несколько раз облетев её. Сначала научные
инструменты аппарата заметили, что он пролетел через облако водяного
пара, а затем были сфотографированы уникальные «гейзеры», выбрасывающие
водяной пар вблизи южного полюса космического тела. Протяжённость этих
образований на фотографиях – десятки километров, однако на самом деле
они продолжаются гораздо дальше, поскольку пар и выбрасывается со
скоростями больше второй космической на поверхности спутника,
освобождаясь от оков гравитации этого космического тела.
Считается, что гейзеры бьют из так называемых тигровых полос – длинных,
протяжённостью несколько сот километров тёмных трещин в ледяном покрове,
а источником служит подлёдный резервуар воды. Эти полосы располагаются
на южном полюсе спутника, их дно почти на 60 градусов теплее, чем
окружающие участки льда, и не исключено, что именно из-за них Энцелад
оказывается одним из немногих тел Солнечной системы, на котором один из
полюсов теплее экватора.
Однако в какой форме образуются там водяной пар и крохотные, покрытые
тончайшим слоем льда частички пыли - остаётся загадкой. Это может быть
как жидкая вода, так и лёд. В том, что лёд может испаряться, минуя
жидкую фазу (сублимировать) ничего удивительного нет – при небольшом
давлении такое может происходить, и в этом может убедиться каждый,
видевший, как «дымится» сухой лёд – замёрзшая углекислота.
Согласно одной из теорий, именно это и происходит – недалеко от
поверхности лёд растапливается и тут же испаряется, по каким-то причинам
лишившись сдерживавшего испарение давления ледовой шапки. Правда,
остаётся непонятным, как такие источники могут поддерживать почти
стационарное истечение пара и пыли в течение долгого времени.
Сталкиваются с проблемами и другие теории.
Один из нерешённых вопросов – как так получается, что пар выбрасывается с
огромной скоростью, позволяющей ему оторваться от притяжения спутника, а
пыль – гораздо медленнее, оседая в итоге на его поверхности. Этим
вопросом занялась команда учёных из Германии, России и Великобритании,
результаты работы которой опубликованы в последнем номере журнала
Nature.
Решение этого вопроса не только полностью изменило наше понимание того,
как формируются гейзеры, но и позволило создать его модель, в которой
наконец-то «всё сошлось» с данными наблюдений.
Юрген Шмидт, Николай Бриллиантов, Франк Шпан и Саша Кемпф считают, что
ключ к разгадке – неровность стенок расщелины, из которой бьёт гейзер.
Если сравнивать её поперечный разрез с музыкальным инструментом, то он
будет похож не на ровный кларнет или флейту, а скорее на пунги –
«факирскую флейту», причём не с одним, а множеством утолщений, да к тому
же изрядно покорёженную.
Именно изменение толщины расщелины одновременно ускоряет газ (водяной
пар) и замедляет пылинки. Первый эффект – чисто гидродинамический,
знакомый каждому, кто в курсе теоретической механики изучал задачу о
сопле Лаваля (конечно, имеется в виду сопло, а не выделения слизистой
оболочки носа французского учёного). Газ в нём сначала ускоряется при
сужении канала, а затем переходит звуковой барьер и в дальнейшем
ускоряется уже при его расширении. Подсчёты показывают, что в случае с
Энцеладом такое происходит на выходе из расщелины.
В то же время пыль, которая поначалу выбрасывается с той же скоростью,
что и пар, не является газом, и вместо обтекания стенок ударяется об их
неровности и тормозится. Возникает что-то вроде силы трения. Увлечь за
собой пылинки газ не может – слишком мала плотность потока, и пыль
вырывается на поверхность с гораздо меньшей скоростью.
Данные о соотношении скоростей двух компонент, плотности вещества и
яркости выбрасываемого с поверхности вещества, полученные аппаратом
Cassini, позволяют оценить и размер пылинок – они оказывается в среднем
чуть меньше микрона, и характер неровностей расщелины, и её размеры.
Кроме того, они доказывают, что подо льдом на южном полюсе Энцелада находится именно жидкая вода, и указывают, где именно.
Чтобы получить наблюдаемые значения параметров приходится либо
предполагать, что стенки каналов идеально ровные на масштабах в десятки
километров, а это выглядит невероятным, либо допустить, что пар
вырывается через расщелины толщиной от десятков сантиметров до
нескольких метров, а его температура на выходе из канала составляет
-30…-10 градусов по шкале Цельсия. Поднимаясь, газ охлаждается, так что
подлёдный источник должен быть ещё теплее, и расчёты показывают, что
температура там – около нуля, тройной точки воды, где газообразная,
жидкая и твёрдая фаза существуют в равновесии. А значит, под давлением
ледяной корки находится именно жидкая вода, уверены учёные.
Кроме того, решение гидродинамической задачи подсказывает толщину этой
корки. Вода на Энцеладе расположена всего в сотне метров от поверхности.
Это гораздо ближе, чем на юпитерианской Европе, где бурить лёд до воды
пришлось бы, по самым оптимистичным расчётам, несколько сот метров, а
согласно большинству моделей – от нескольких до нескольких десятков
километров.
Из измерений Cassini можно оценить и характерные размеры гейзеров. Их
полная производительность – около 5 кг пыли и 100 кг газа в секунду, а
общая протяжённость активных участков разлома должна составлять порядка
километра – это весьма небольшой участок 500-километровой тигровой
полосы. Примерно то же самое видит и Cassini, наблюдая в расщелинах
отдельные «гейзеры».
Распределение скоростей пылевых частиц позволяет подсчитать долю пыли,
которая покидает планету. Это примерно пятая часть выброшенного – около
килограмма пыли в секунду. И опять сходится – примерно столько пыли
нужно, чтобы поддерживать в равновесии кольцо E Сатурна.
Кроме того, и размер выброшенных пылевых частиц соответствует тем, что
составляют это кольцо – с той поправкой, что дольше в нём проживут чуть
большие по размеру пылинки.
Кажется, что Энцелад наконец-то раскрыл свои тайны, а заодно и тайну
подпитки одного из колец планеты. Тем не менее, учёные полагают, что их
ждёт ещё множество загадок. Первые будут заданы уже через месяц – 12
марта зонд Cassini пройдёт всего в полусотне километров от поверхности
планеты. Наверняка к следующему сближению – в августе этого года,
астрономы всё ещё будут ломать головы, пытаясь найти отгадки.
|