Пятница, 09.12.2022
Космическая погода на текущий час
Вход в систему не произведен
 Войти /  Регистрация

Секция Совета РАН по космосу

< Сколько водяного льда содержат околополярные кратеры Меркурия?
19.11.2016 00:13 Давность: 6 yrs
Категория: Плутон
Количество просмотров: 6948

О тонком льде и жидком океане под равниной Спутника



Положительную гравитационную аномалию равнины Спутника можно объяснить только жидким подледным океаном, состоящим из смеси воды и аммиака (или метанола).


Владислава Ананьева

Равнина Спутника (Sputnik Planitia) лежит на ~3.5 км ниже окружающей местности, ее размеры достигают 1300х900 км. Впадина заполнена слоем азотного льда толщиной 3-10 км. Такая структура должна быть сильной отрицательной гравитационной аномалией, однако равнина Спутника является, напротив, сильной положительной гравитационной аномалией. Для объяснения этой аномалии необходимо наличие в глубине некоторой плотной массы.

Топографическая карта равнины Спутника (слева). Центр равнины имеет координаты 18° северной широты, 175° восточной долготы. Внизу справа представлены топографические (вертикальные) профили по линии AA` (вверху) и BB` (снизу). Красной стрелкой показана переориентация Плутона и смещение центра равнины Спутника в ее теперешнее положение (справа вверху). Полюс Плутона сместился на ~20°.

Ученые склоняются к выводу, что равнина Спутника является колоссальным ударным бассейном, аналогичным равнине Эллада на Марсе или котловине Калорис на Меркурии. Приподнятый рельеф по краям равнины может представлять собой выбросы при образовании бассейна. Явных следов выбросов на снимках не видно, но они могли быть «замыты» продолжающейся тектонической и метеорологической активностью Плутона. Центр равнины Спутника имеет координаты 18° северной широты, 175° восточной долготы, он лежит в 400 км от оси, соединяющей Плутон и Харон. Точка, случайно брошенная на поверхность Плутона, окажется так близко от приливной оси лишь в 5% случаев.

Если ложе равнины Спутника действительно образовалось в результате астероидного удара, его глубина должна быть близкой к 7 км (этот вывод сделан на основе сравнения крупных, не подвергшихся релаксации ударных бассейнов на Луне и Япете). Удар, приведший к образованию такого гигантского кратера, должен был выбросить лед с глубины в несколько десятков километров, затронув тем самым подледный океан (если он был). В этом случае жидкая вода или губчатая смесь льда с водой (шуга) поднялась ближе к поверхности, формируя положительную гравитационную аномалию. Аналогичный процесс происходил на Луне, когда мощные астероидные удары приводили к подъему тяжелого плотного вещества из мантии, а в дальнейшем растрескивание коры и истечение лавы формировало положительные гравитационные аномалии (масконы).

Поскольку равнина Спутника является положительной гравитационной аномалией, приливные силы со стороны Харона должны были развернуть Плутон так, чтобы приблизить равнину к оси, соединяющий оба тела. Напротив, если бы равнина Спутника была отрицательной гравитационной аномалией, Плутон развернулся бы так, чтобы удалить ее от экватора. Расчет времени разворота зависит от амплитуды гравитационной аномалии. Из-за медленного вращения Плутона (он делает один оборот за ~6.4 земных суток) влияние экваториальной выпуклости (сплюснутости) Плутона мало, и разворот может вызвать даже небольшая гравитационная аномалия с амплитудой в несколько десятков миллиГал). 

16 ноября 2016 года в онлайн-версии журнала Nature была опубликована статья, посвященная моделированию образования равнины Спутника и связанной с ней гравитационной аномалией. Авторы исследования рассмотрели две модели – с подледным океаном и без него. В отсутствии подледного океана (и невозможности поднятия с огромной глубины жидкого силикатного расплава) наблюдаемая положительная гравитационная аномалия могла сформироваться только при толщине азотного ледника свыше 40 км, при этом толщина твердой ледяной коры не должна превышать 15 км. Однако толщина коры на Плутоне при любых разумных предположениях превышает 40 км, а слой азотного льда гораздо тоньше (3-10 км). Таким образом, в отсутствии подледного океана положительную гравитационную аномалию на месте равнины Спутника объяснить невозможно.

Рассмотрение модели без подледного океана приводит к нереалистичным значениям толщины азотного ледника и коры Плутона. При наличии океана подъем воды и истончение ледяной коры под равниной Спутника приводит к изостатической компенсации ударного бассейна и возникновению положительной гравитационной аномалии.

Учет подледного океана приводит к изостатической компенсации ударного бассейна. Ледяная кора под ложем равнины Спутника оказывается существенно тоньше, чем в других местах, за счет подъема более плотной жидкой воды. Так, по расчетам авторов статьи, при толщине коры Плутона в 70 км и толщине азотного ледника в 7 км возникает положительная гравитационная аномалия в +32 миллиГал, что согласуется с наблюдениями.

Однако как сохранить водяной «горб» под равниной Спутника на протяжении 4 млрд. лет? При температурах, близких к точке плавления, водяной лед начинает медленно течь, выравнивая рельеф. Как показали авторы исследования, для сохранения наблюдаемой картины температура океана у основания ледяной коры должна быть довольно низкой, 180-250К (в зависимости от толщины коры). Это возможно, если вода подледного океана находится в смеси с аммиаком или метанолом. Теплоперенос в коре осуществляется достаточно медленно, чтобы подледный океан на Плутоне мог существовать и по сей день. 

Намораживание льда преимущественно в верхней части «водяного горба», где толщина льда меньше и теплоперенос происходит эффективнее, могло бы постепенно выровнять толщину ледяной коры, если бы не азотный ледник сверху. Азотный лед проводит тепло хуже, чем водяной, таким образом, ледник на равнине Спутника способствует дополнительной теплоизоляции «водяного горба» и сохранению наблюдаемой картины.

Температура вершины «водяного горба» под равниной Спутника, необходимая для того, чтобы «горб» сохранялся на протяжении 4 млрд. лет, в зависимости от толщины ледяной коры. Температура поверхности Плутона принята равной 40К.

Авторы исследования рассматривают другие гипотезы, которые могли бы объяснить наличие положительной гравитационной аномалии под равниной Спутника, и отвергают их все. Среди этих гипотез – плотный и тяжелый лед II (не должен образоваться при давлениях, царящих в коре Плутона), подъем силикатной магмы (магма расположена слишком глубоко и так высоко не продвинется в холодных недрах Плутона), лед пониженной пористости и оттого более плотный (но уменьшение пористости на 10% должно распространиться на глубину свыше 70 км, чтобы компенсировать отсутствие вещества в чаше ударного бассейна), и т.д. Однако для окончательного исключения всех других вариантов, кроме наличия подледного океана и образования «водяного горба» под равниной Спутника, необходимы дополнительные исследования.

Источник: http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature20148.html


Комментарии

Комментарии

Вход в систему

Введите имя пользователя и пароль для входа в систему:
Вход в систему

Забыли пароль?

Ольберса парадокс

(назван по имени немецкого астронома Генриха Ольберса - H. Olbers 1758-1840) Парадокс Ольберса состоит в том, что если Вселенная бесконечна и вечна, то... [далее]

Rambler's Top100