Европа наклонилась и согрелась

Астрономы теперь уже почти уверены, что океаны существуют не только на Земле, но и на других телах Солнечной системы – спутниках планет-гигантов. Эти океаны скрыты толстым слоем льда, однако глубоко под ледовой коркой плещется жидкая вода. И не исключено, что в этой воде присутствуют какие-то примитивные формы жизни. На деле никаких указаний на этот счет нет, но страх человечества перед вселенским одиночеством неистребим и даже самые черствые ученые нет-нет, да и задумаются об обитаемости подледных океанов вдалеке от родной планеты.

В первую очередь, конечно, речь идет о спутнике Юпитера Европе – сферическом «ледовом катке», трещины в котором, судя по полученным межпланетными станциями фотографиям, то и дело заполняет поднявшаяся из недр жидкая вода. Вполне возможно, что такой же океан может находиться и на двух крупнейших галилеевых спутниках Юпитера – Ганимеде и Каллисто. Кроме того, не исключено, что вода присутствует в жидком виде и под поверхностью Энцелада – спутника Сатурна, из расщелин вблизи южного полюса которого на сотни километров вверх бьют целые гейзеры водных паров.

Однако даже при огромных давлениях под многокилометровым слоем льда, чтобы оставаться жидкой, вода должна быть достаточно теплой.

Откуда берется энергия, чтобы поддерживать высокую температуру в глубоком космосе? Каждый квадратный сантиметр той же Европы получает от Солнца в 27 раз меньше энергии, чем такой же участок поверхности Земли. Радиоактивного распада тяжелых элементов в твердых ядрах спутников Юпитера и Сатурна, по расчетам, также оказывается недостаточно.

Однако есть еще один источник тепла – гравитация и трение. Юпитер и Сатурн на то и планеты-гиганты, чтобы обладать сильными полями тяготения. При этом по закону тяготения Ньютона сила притяжения к планете сильнее с той стороны спутника, что обращена к нему, и меньше на противоположной. Так возникают приливы, которые деформируют спутник, превращая его из футбольного мяча в мяч для регби.

Энергия этих деформаций постепенно расходуется, перерабатываясь в тепло. По мнению большинства астрономов, именно за счет приливов и трения спутникам планет-гигантов и удается поддерживать температуру своих океанов. Приливы на спутнике немного не успевают за движением планеты, из-за чего и возникает трение. Реальный прилив все время «догоняет» направление на планету, но из-за вязкости вещества всегда чуть-чуть отстает от «идеального» горба.

При этом все уверены, что греют воду именно деформации твердого ядра спутника и его внешней оболочки. Саму воду до сих пор не принимали в расчет: она слишком текуча и успевает следовать за равновесной формой быстрее, чем меняется положение приливных горбов.

Судя по всему, со счетов воду списывали напрасно. Океаны греют себя сами.

Роберт Тайлер из университета американского штата Вашингтон в Сиэтле опубликовал в последнем номере Nature статью, в которой показал это на примере Европы.

По словам Тайлера, теоретики абсолютно резонно вспомнили о вытянутости орбиты спутника, но зря забыли о наклоне его оси к плоскости движения планеты. Для Европы он точно не определен, но должен составлять несколько десятых долей градуса. Благодаря этому обстоятельству Юпитер в небе Европы не только слегка гуляет с запада на восток, но и покачивается с юга на север, выписывая сложные либрационные кривые.

Из-за этого в подледном океане спутника, объемлющем всю планету, возбуждаются так называемые «волны Россби». Хотя они и называются волнами, это скорее вихри, циркулирующие между полушариями Европы. Подобные образования впервые были предсказаны Карлом Густавом Россби еще в 1930-х годах и замечены в земной атмосфере в середине прошлого века. Свою роль они играют и в циркуляции воды на Земле – например, в формировании явления Эль-Ниньо, но океанические течения той же природы совершенно не похожи на результаты теоретических расчетов из-за сложной формы береговой линии.

Вода в волнах Россби движется горизонтально, а потому гравитация самого спутника не оказывает на них никакого влияния. Поэтому скорость этих волн, а следовательно, и период могут быть самыми разнообразными. Среди возможных периодов и 3,5 дня, продолжительность полного оборота Европы вокруг Юпитера.

Такие волны входят в резонанс с колебаниями приливной силы.

Амплитуда этих колебаний росла бы до бесконечности, если бы не силы трения – воды о лед и ядро, слоев воды друг о друга и так далее. Именно из этого трения, уверен Тайлер, и рождается тепло, которое греет океаны Европы.

Ученый рассчитал, что за счет такого механизма выделяется в десятки, сотни, а то и тысячи раз больше энергии, чем за счет радиоактивного распада и деформаций твердого ядра спутника. При этом Тайлер представил аналитический расчет, а не результаты численного эксперимента. Конкретное значение зависит от не очень точно известного угла наклона оси вращения планеты к плоскости спутника, а также особенностей физических характеристик воды на Европе.

По мнению автора статьи, именно резонансный нагрев должен быть основным источником тепла – и, возможно, жизни – в подледных океанах на спутниках далеких от Солнца планет.

Кстати, у вихрей Россби есть вполне определенная структура. Возможно, она может как-то отпечататься и в температурной карте поверхности спутника. Интересно было бы сравнить ее с результатами наблюдений.