Существенная доля ледяного покрова спутника Юпитера Европы, вероятно, состоит из ледяных кристаллов, возникших в переохлажденной воде, находящейся под ледяной оболочкой.
Спутник Юпитера Европа — по всей видимости, представляет наибольший интерес для астробиологов среди всех небесных тел Солнечной системы. Европа уступает в размерах земной Луне, однако, в отличие от нее, характеризуется поверхностью, состоящей из водяного льда, под которым расположен океан жидкой воды, достигающий в глубину около ста километров.
Существование океана под ледяной поверхностью Европы можно считать весьма вероятным. На её поверхности практически не наблюдается метеоритной ударной активности, однако там в большом количестве представлены трещины, разломы и области «хаотического ландшафта», сформированные из обломков льда, перемешанных и сросшихся друг с другом.
Европейские недра подвергаются интенсивному приливному нагреву, подобному тому, что наблюдается у спутника Ио, однако в меньших масштабах. Это обуславливает вулканическую активность на дне океана, которая обеспечивает поступление питательных веществ и энергии в водную среду, создавая необходимые условия для существования жизни.
На поверхности Европы температура воздуха опускается от минус 160 до минус 220 градусов, что обуславливает толщину ледяного покрова в несколько километров. Изучение океана, скрытого под льдом, представляет собой сложную задачу, и на начальном этапе ученые планируют направить к Юпитеру аппарат Europa Clipper, который проведет исследование Европы и других спутников Юпитера, совершая серию сближений.
В числе задач, которые он должен решить, — исследование ледяного покрова Европы с помощью радиолокационного зондирования. Эффективность данного подхода во многом определяется составом льда. Наличие солей может препятствовать распространению радиоволн, а если ледяная оболочка не слишком толстая и состоит из чистого льда, то, вероятно, получится провести ее насквозь.
Недавно ученые из Техасского университета во главе с Натали Вольфенбаргер (Natalie S. Wolfenbarger) провели исследование) предположили, возможно, содержание солей в ледяной оболочке оказалось ниже ожидаемого, поскольку подводный снег в океане Европы, вероятно, поднимается снизу вверх.
На Земле увеличение площади льда, покрывающего моря, происходит главным образом из-за замерзания воды, происходящего снизу, на границе льда и воды. В антарктических морях обнаружен дополнительный фактор, способствующий увеличению толщины ледяного покрова – скопление переохлажденной воды под льдом, напоминающее «снег.
Какие факторы способны спровоцировать подобное подводное выпадение кристаллов? Температура замерзания воды уменьшается под воздействием давления – приблизительно на один градус за каждые 130 атмосфер. В земных океанах это соответствует увеличению глубины на 1300 метров, а под ледяной коркой Европы – около 10 километров. Давление на дне Марианской впадины и в океане Европы сопоставимо – глубина первой в десять раз меньше, но сила гравитации на Земле в семь раз больше, чем на Европе. Поэтому соленая вода на самом дне начинает замерзать при температуре, которая на десять градусов ниже нуля.
Вода также подвержена адиабатическому нагреву и охлаждению, то есть изменению температуры при колебаниях давления и при отсутствии теплообмена с окружающей средой. Из-за меньшей сжимаемости ее температура изменяется не так значительно, как температура воздуха в насосах и компрессорах, однако при существенных изменениях давления этот процесс становится ощутимым: коэффициент составляет примерно один градус на 400 атмосфер (4 километра на Земле, 30 километров на Европе).
Значительные массы воды, поднимаясь наверх или опускаясь вниз, не смешиваются с окружающей средой и влияют на свою температуру. Вода, поднимающаяся с большой глубины, может быть значительно холоднее по двум факторам: вследствие адиабатического охлаждения при расширении и из-за того, что ее начальная температура была ниже температуры замерзания у поверхности. Переохлажденная вода частично превращается в лед, формируя очень чистый игольчатый лед – шугу. Этот лед поднимается наверх и включается в ледяной покров у поверхности.
Исследования показали, что ледяной покров, формирующийся при постепенном замерзании, обусловленном, к примеру, постепенным охлаждением внутренних слоев спутника, преимущественно состоит из намерзшего льда. В случае, если ледяная оболочка испытывает разрежения, вызванные, например, тектоническими процессами, вулканической активностью или неравномерным нагревом от Солнца, новый лед будет формироваться в этих областях посредством так называемого «перевернутого снегопада».
Ледяной покров в европейской части Арктики характеризуется высокой изменчивостью. В частности, он неоднократно переворачивался целиком, перемещаясь по океану, и районы экватора с повышенным солнечным воздействием и более тонким слоем льда оказывались вблизи полюсов. В связи с этим, «подводный снегопад» способен оказывать заметное влияние на формирование нового льда.
В результате исследований стало известно, что толщина ледяного покрова Европы может содержать значительно меньшее количество солей, чем оценивалось изначально. Это создает определенные трудности для специалистов: с одной стороны, чистый лед позволяет радару проникать на большую глубину, а с другой – на поверхности Европы отмечается высокое содержание солей. Это может быть вызвано сублимацией льда с поверхности или указывать на состав льда, сформировавшегося в результате замерзания воды, поднявшейся к поверхности в трещинах и на неровных участках рельефа.
Вероятно, ледяной покров Европы крайне непостоянен: его толщина варьируется, в некоторых местах он более соленый, а в других – более чистый. Для всестороннего исследования потребуется более совершенное и универсальное оборудование, в частности, радары. Однако это же может упростить задачу для будущих специалистов по поиску жизни: активные процессы, происходящие в ледяной коре, способны переносить воду, замерзшую недавно из океана, к самой поверхности, где ее можно будет взять на анализ гораздо легче изучать.