9 دقیقه
پژوهشهای جدید نشان میدهد که برخی قمرهای کوچک و یخی — که مدتها فکر میشد از نظر زمینشناختی ساکت هستند — ممکن است اقیانوسهایی زیرسطحی داشته باشند که در دورههایی بهدلیل نازک شدن پوسته یخی و کاهش فشار، بهصورت مقطعی به جوش میآیند. این تغییرات زیرسطحی چشمگیر میتوانند توضیحدهنده ساختارها و نشانههای سطحی مرموزی باشند که مأموریتهای پیشین ثبت کردهاند. بررسی این پدیده در زمینهٔ علم سیارهای و ژئوفیزیک قمرها میتواند چشمانداز جدیدی از دینامیک و پتانسیل زیستپذیری قمرهای یخی کوچک ارائه دهد.
How melting ice can lower pressure — and boil an ocean
در زمین، عمدهٔ فعالیتهای زمینشناختی از حرکت سنگها و جنبش آرام صفحات تکتونیکی نشأت میگیرد. اما در قمرهای یخی، بازیگران اصلی آب و اشکال یخی آن هستند. بسیاری از این ماهوارههای دوردست گرما از طریق نیروهای کشندی (tidal forces) دریافت میکنند؛ نیروی گرانشی سیارهٔ مادر و قمرهای مجاور، موجب پیچخوردگی و گرمشدن درونی آنها میشود. با افزایش گرمایش کشندی، پایهٔ پوستهٔ یخی ممکن است ذوب شده و تبدیل به آب مایع با چگالی کمتر شود؛ این فرایند باعث نازکشدن پوستهٔ یخی میشود. وقتی شدت گرمایش کاهش مییابد، پوسته مجدداً ضخیم میشود و شرایط فیزیکی متفاوتی ایجاد میشود.
مکس رودولف، دانشیار علوم زمین و سیارهای در دانشگاه کالیفرنیا، دیویس و نویسندهٔ اصلی مقالهٔ جدید در Nature Astronomy، ایدهٔ کلیدی را چنین توضیح میدهد: "ما به فرآیندهایی علاقهمندیم که شکلگیری و تکامل این اجسام را در مقیاس میلیونها سال تعیین میکنند و این امکان را میدهد که دربارهٔ نمودهای سطحی یک دنیای اقیانوسی فکر کنیم." تیم پژوهشی مدلهایی اجرا کردند تا نشان دهند تغییر فازها در سیستم یخ-اقیانوس چگونه فشار داخلی را در قمرهایی با اندازههای متفاوت تغییر میدهد.
در قمرهای کوچک مانند انسلادوس و میماس (هر دو به دور زحل میگردند) یا میرندا (به دور اورانوس)، فشار بالای اقیانوس زیرسطحی میتواند در طول دورهٔ ذوب پایهای به میزانی کاهش یابد که به نقطهٔ سهگانهٔ آب (حالت تعادلی همزمان یخ، آب مایع و بخار) برسد. در آستانهٔ این وضعیت، حفرههایی از اقیانوس میتوانند شروع به جوشیدن کنند و بخار تولید کنند، پوستهٔ بالایی را بهصورت موضعی شکست دهند و جریانهایی از ماده و گاز را به حرکت درآورند که در نهایت ویژگیهای سطحی متمایزی بهجا میگذارند. این مکانیسم، بسته به فراوانی و میزان انرژی آزادشده، میتواند دورههای کوتاهمدت یا طولانیتری از فعالیت داخلی ایجاد کند که در هر دو صورت آثار قابل مشاهدهای روی سطح برجا میماند.
Surface fingerprints: coronae, tiger stripes, and the Death Star
جوشیدن اقیانوسها تنها یک کنجکاوی نظری نیست؛ بلکه توضیحات معتبری برای ویژگیهای سطحی واقعی فراهم میکند. تصاویر وویجر 2 از میرندا نشاندهندهٔ برجستگیها و صخرههای متحدالمرکز عجیب هستند که به نام کروناها شناخته میشوند؛ این ساختارها دانشمندان را برای دههها به فکر فرو بردهاند. مطالعهٔ رودولف نشان میدهد که جوشیدن اقیانوس و نوسانات فشار حاصل میتواند تنشهایی تولید کند که تشکیل کروناها را توضیح دهد. این توضیح با مدلهای حرارتی-مکانیکی همخوانی دارد و نشان میدهد که فرآیندهای زیرسطحی میتوانند الگوهای سطحی پیچیدهای ایجاد کنند.
انسلادوس بهطور مشهور خطوطی شبیه "نوارهای ببر" (tiger stripes) را نشان میدهد — نواحی گرم و شکافدار در نزدیکی قطب جنوبی که بخار آب و ذرات یخی را به فضا میپراکنند. مطالعات پیشینِ همان گروه نشان داده بود که ضخیمشدن پوستهٔ یخی میتواند موجب افزایش فشار در پوسته و ایجاد اینگونه شکستگیها شود. مدلسازی جدید این تصویر را تکمیل میکند و نشان میدهد چگونه عکس آن — نازکشدن پوسته و ذوب پایهای — میتواند منجر به جوشیدن، تبخیر و از دسترفتن بخار شود و آثار متفاوتی روی سطح پدید آورد. بنابراین، هم افزایش فشار (با ضخیمشدن) و هم کاهش فشار (با نازکشدن) هر دو میتوانند الگوهای جسمی مشخصی تولید کنند که در تصاویر مأموریتها دیده شدهاند.
میماس، که بهخاطر صورتِ بشقابی بزرگ و دهانهایاش لقب "ستارهٔ مرگ" گرفته، از بیرون بهنظر مرده میرسد؛ با این حال مشاهدات کاسینی نشان از نوسانی ظریف دارند که با وجود یک اقیانوس داخلی سازگار است. رودولف اشاره میکند که شعاع نسبتاً کوچک میماس به این معنی است که پوستهٔ یخی آن میتواند بدون فروپاشی فاجعهبار نازک شود و بدینترتیب امکان وجود اقیانوسی زیر یک سطح نسبتاً دستنخورده را فراهم میآورد — وضعیتی که در آن جوشیدن میتواند درون پوسته رخ دهد در حالی که نمای بیرونی هنوز با دهانهها و آثار برخوردی پوشیده شده باشد.
Size matters: why bigger moons crack before they boil
پژوهشگران دریافتند که اندازهٔ قمر یک عامل کنترلکننده است. در ماهوارههای یخی بزرگتر مانند تیتانیا (یکی از قمرهای اورانوس) یا دیگر قمرهای بزرگِ سامانهٔ خورشیدی بیرونی، کاهش فشار ناشی از ذوب پایهای معمولاً پیش از رسیدن به نقطهٔ سهگانه موجب بازشدن ترکها و شکستگیها در پوسته میشود. در این نمونهها، نازکشدن و سپس دوباره ضخیمشدن پوسته میتواند مجموعهٔ متفاوتی از سازوکارهای تکتونیکی و زمینساختی تولید کند که بیشتر به صورت گسلها و درزهها بروز مییابد تا جوشیدن گستردهٔ اقیانوس.
به عبارت دیگر: قمرهای کوچکتر میتوانند به شرایطی برسند که اقیانوس زیرسطحی جوش بزند، در حالی که قمرهای بزرگتر اغلب قبل از رسیدن به این نقطه فشار، تنش را با ترکخوردن و ایجاد گسلهها تخلیه میکنند. این تفاوت در رفتار ناشی از ترکیب عوامل متعددی است: قانونهای مقیاسپذیری مکانیک مواد و رفتار یخ بهعنوان یک مادهٔ شکننده-ویسکوالاستیک، توزیع دما و گرمایش داخلی، و نیز هندسهٔ پوسته و ضخامت آن. مدلها نشان میدهند که در قمرهای بزرگتر، انرژی آزادشده از ذوب پایهای بهجای بالا رفتن تا سطح نقطهٔ سهگانه، به صورت مکانیکال موجب ایجاد عیوب ساختاری میشود که سپس از طریق شکستگیها تخلیه میگردد.
Mission context and future prospects
این بینشها بر ترکیب مدلسازیهای فیزیکی با دادههای مأموریتهایی مانند کاسینی و وویجر 2 تکیه دارند. بررسیهای دقیق کاسینی از قمرهای زحل و گذرهای وویجر از نزدیکی اورانوس و قمرهای آن، زمینهٔ تجربیای فراهم کردند که به محدودسازی مدلهای حرارتی و مکانیکی کمک میکند. هرچند دادهها تاکنون سرنخهای مهمی دادهاند، تأیید فرضیهٔ جوشیدن اقیانوسها نیازمند مأموریتهای آینده است — بهویژه مأموریتهای مداری یا نشسته (lander) که بتوانند میدانهای گرانشی، ترکیب سطحی و شار گرمایی را دقیقتر بسنجند.
تشخیص رسوبات ناشی از بخار، تغییرات شیمیایی سطح یا نشانههایی از بازسازی نسبی سطح میتواند شواهد قویای برای جوشیدن دورهای اقیانوسها فراهم کند. ابزارهایی که قادر به اندازهگیری نوسانات کوچک (librations)، آنومالیهای جاذبه یا گرادیانهای گرمایی هستند، هم میتوانند اقیانوسهای کنونی را آشکار سازند؛ همانطور که برای میماس سرنخهایی وجود دارد و برای انسلادوس اقیانوس تأیید شده است. رادیوژئودتیک دقیق، رایونانسهای گرانشی، مادونقرمز حرارتی، طیفسنجی جرمی ذرات و آنالیز ایزوتوپی از جمله ابزارهایی هستند که در مأموریتهای آینده میتوانند نقش تعیینکنندهای ایفا کنند.
برای نمونه، سنجش میدان گرانش و اندازهگیری لحظهٔ اینرسی میتواند توزیع جرم درونی و حضور یک لایهٔ مایع را نشان دهد. اندازهگیری شار حرارتی بهصورت مداوم میتواند نواحی فعال را شناسایی کند؛ و نقشهبرداری ترکیب سطح به تفکیک، میتواند رسوبات تبخیری یا ترکیبات محلول را آشکار سازد. علاوه بر این، حسگرهای نزدیک سطح مانند طیفسنجهای جرمی یا نمونهبردارهای سطحی میتوانند نشان دهند آیا مواد از هستهٔ سنگی بهصورت متناوب به سطح منتقل شدهاند یا خیر — اطلاعاتی حیاتی برای ارزیابی پتانسیل زیستشناختی.
Expert Insight
«اگر محفظههایی از جوش در زیر یک پوستهٔ یخی رخ دهند، میتوانند گرما و ترکیبات شیمیایی را بهطور ناپیوسته از هستهٔ سنگی به سطح منتقل کنند»، میگوید دکتر لنا تورس، ژئوفیزیکدان سیارهای در آزمایشگاه پیشرانهٔ جت (JPL). «این امر دو پیامد مهم دارد: اول آنکه ساختار و الگوهای زمینی را که مشاهده میکنیم شکل میدهد، و دوم آنکه با چرخهسازی مواد غذایی و انرژی، بر پتانسیل زیستپذیری تأثیر میگذارد. مأموریتهای آیندهای که قمرهای یخی کوچک را هدف قرار دهند، میتوانند برای اخترزیستشناسی بسیار ارزشمند باشند.»
درک این که آیا اقیانوسها زیر این پوستههای منجمد میجوشند، شکاف میخورند یا آرام حرکت میکنند، تصویر ما از زمینشناسی سطحی در سراسر منظومهٔ شمسی بیرونی را بازتعریف میکند. مطالعهٔ جدید چارچوبی فراهم میآورد برای پیوند بین پویایی داخلی و ویژگیهای قابل رصد — و تأکید میکند که حتی قمرهای کوچک نیز میتوانند میزبان فرآیندهای پیچیده و بالقوه مرتبط با زیستپذیری باشند. همچنین این پژوهش پیشنهاد میدهد که طیف وسیعی از مکانیزمها میتواند توضیحدهندهٔ تنوع ساختارهای سطحی باشد که مأموریتها تاکنون گزارش کردهاند؛ از کروناهای میرندا تا نوارهای از یخ و بخار در انسلادوس و صورت دهانهای عظیم میماس.
برای تقویت این فرضیهها، ترکیب روشهای مدلسازی چندفازی، آزمایشهای آزمایشگاهی بر روی خواص یخ تحت فشار و دماهای مختلف، و مطالعات مقایسهای میان قمرها ضروری است. پژوهشهای آزمایشگاهی میتوانند پارامترهای کلیدی مانند گرانروی، مقاومت شکست و رفتار تبخیر در خلأ را تعیین کنند؛ دادههایی که برای اعتبارسنجی مدلهای عددی حیاتیاند. در نهایت، ترکیب این رویکردها با مأموریتهای میدانی میتواند به یک تصویر یکپارچه از چگونگی عملکرد اقیانوسهای زیرسطحی در قمرهای یخی کوچک منجر شود — تصویری که پیامدهای بزرگی برای اخترزیستشناسی، دینامیک داخل سیارهای و آیندهٔ اکتشاف فضایی دارد.
منبع: scitechdaily
ارسال نظر