Η χαμηλή βαρύτητα στους ωκεανικούς κόσμους μπορεί να βοηθήσει στη διατήρηση της κυκλοφορίας του ζεστού νερού

Πρόσφατα τοποθετημένα (από το 2018) τύμβοι λάβας (μαύροι με κίτρινη υδροθερμική χρώση ορυκτών) στο πάτωμα του κρατήρα του KSM (Ιανουάριος 2023). Ο ROV Jason προετοιμάζεται να εισαγάγει έναν αισθητήρα θερμοκρασίας σε μια πρόσφατα σχηματισμένη υδροθερμική οπή (κίτρινη λεκιασμένη περιοχή, κάτω δεξιά) μέσα στις πρόσφατα εκραγείσες λάβες. (©Ωκεανογραφικό Ίδρυμα Woods Hole)

Μια νέα μελέτη με επικεφαλής τα μέλη της ομάδας στο UC Santa Cruz χρησιμοποίησε ένα σύνθετο μοντέλο υπολογιστή για να διερευνήσει πώς η επίδραση της χαμηλής βαρύτητας, όπως βρέθηκε στους ωκεανικούς κόσμους στο εξωτερικό ηλιακό μας σύστημα, θα μπορούσε να επηρεάσει τις ροές νερού και θερμότητας κάτω από τον πυθμένα της θάλασσας.

Η εργασία διεξήχθη ως μέρος ενός πολυθεσμικού προγράμματος «Εξερευνώντας τους Ωκεανούς Κόσμους» της NASA, με επικεφαλής τον ανώτερο επιστήμονα Chris German του Ωκεανογραφικού Ινστιτούτου Woods Hole (WHOI). Έχει ρίξει νέο φως στη δυνατότητα υδροθερμικής εξαέρωσης στον πυθμένα της θάλασσας —που φιλοξενεί μερικές από τις πιο πρωτόγονες μορφές ζωής στη Γη— να συμβεί σε άλλα φεγγάρια του «Κόσμου των Ωκεανών» που περιφέρονται γύρω από γιγάντιους πλανήτες στο εξωτερικό Ηλιακό Σύστημα.

Ο βραχίονας χειριστή ROV Jason χρησιμοποιώντας έναν δειγματολήπτη ισοβαρικού αερίου (IGT) για τη συλλογή θερμών (~40°C) υγρών εξαερισμού στο Kama'ehuakanaloa Seamount (KSM), Ιανουάριος 2023. (©Woods Hole Oceanographic Institution)

Το ηλιακό μας σύστημα περιέχει πολλούς «ωκεάνιους κόσμους», πλανήτες και φεγγάρια που επί του παρόντος έχουν, ή είχαν στο παρελθόν, έναν υγρό ωκεανό. Μερικοί από αυτούς τους ωκεάνιους κόσμους μπορεί να απελευθερώσουν αρκετή θερμότητα εσωτερικά για να οδηγήσουν την υδροθερμική κυκλοφορία - νερό που ρέει στον πυθμένα της θάλασσας, κυκλοφορεί και θερμαίνεται και ρέει πίσω. Στη Γη, αυτές οι ροές μπορούν να μεταφέρουν θερμότητα και χημικές ουσίες, μερικές από τις οποίες είναι βασικές για την υποστήριξη των καταπράσινων οικοσυστημάτων του βυθού της θάλασσας. Αυτά τα συστήματα βράχου-θερμότητας-ρευστού ανακαλύφθηκαν στον πυθμένα της Γης τη δεκαετία του 1970 και πολλοί επιστήμονες πιστεύουν ότι μπορεί να υπάρχουν αλλού στο ηλιακό μας σύστημα - αυτό είναι ένα θέμα μεγάλου ενδιαφέροντος, ειδικά επειδή υπάρχει δυνατότητα υποστήριξης ζωής. Η ερευνητική ομάδα στο UC Santa Cruz, σε συνεργασία με τους συναδέλφους του Blue Marble Space Institute of Science, WHOI και Nantes Université, δημοσίευσαν τη νέα τους μελέτη στο Journal of Geophysical Research: Planets, που δείχνει πώς τα υδροθερμικά συστήματα όπως αυτά που φαίνονται στη Γη μπορεί να διαφέρει υπό συνθήκες χαμηλότερης βαρύτητας άλλων κόσμων των ωκεανών.

Πολλοί άνθρωποι έχουν ακούσει για αεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας στον πυθμένα της Γης, που μερικές φορές ονομάζονται «μαύροι καπνιστές», όπου υγρά που θερμαίνονται πάνω από 300 °C (πολύ θερμότερα από το σημείο βρασμού του νερού στο επίπεδο της θάλασσας στη Γη) εκτοξεύονται στον ωκεανό, εναποθέτοντας μεταλλεύματα και βοηθά στην υποστήριξη της εξωτικής ζωής. Ενώ αυτά τα συστήματα υψηλής θερμοκρασίας οδηγούνται κυρίως από την ηφαιστειακή δραστηριότητα του υποθαλάσσιου πυθμένα, ένας πολύ μεγαλύτερος όγκος ρευστού ρέει μέσα και έξω από τον πυθμένα της Γης σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, κυρίως λόγω της ψύξης του πλανήτη.

«Η ροή του νερού μέσω εξαερισμού χαμηλής θερμοκρασίας είναι ισοδύναμη, όσον αφορά την ποσότητα του νερού που απορρίπτεται, με όλα τα ποτάμια και τα ρέματα στη Γη, και είναι υπεύθυνη για περίπου το ένα τέταρτο της απώλειας θερμότητας της Γης», είπε ο Andrew Fisher. επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης και διακεκριμένος καθηγητής Γης και Πλανητών Επιστημών (EPS) στο UC Santa Cruz. «Ολόκληρος ο όγκος του ωκεανού αντλείται μέσα και έξω από τον πυθμένα της θάλασσας περίπου κάθε μισό εκατομμύριο χρόνια».

«Πολλές προηγούμενες μελέτες της υδροθερμικής κυκλοφορίας στην Ευρώπη και τον Εγκέλαδο (φεγγάρια του Δία και του Κρόνου) έχουν εξετάσει υγρά υψηλότερης θερμοκρασίας και τα κινούμενα σχέδια και άλλα σχέδια συχνά απεικονίζουν συστήματα στους βυθούς της θάλασσας που μοιάζουν με μαύρους καπνιστές στη Γη», εξήγησε η Donna Blackman, EPS. ερευνητής στο UC Santa Cruz και τρίτος συγγραφέας στη νέα εργασία. «Ροές χαμηλότερης θερμοκρασίας είναι τουλάχιστον εξίσου πιθανό να συμβούν, αν όχι πιο πιθανές».

ΒΙΝΤΕΟ

Η Kristin Dickerson, η δεύτερη συγγραφέας της εργασίας και Ph.D. υποψήφιος στο EPS στο UC Santa Cruz, εξήγησε τη βάση για τη μελέτη, "Εξετάσαμε ένα σύστημα κυκλοφορίας θαλασσινού νερού κάτω από τον θαλάσσιο πυθμένα της Γης που έχει μελετηθεί εδώ και χρόνια. Ανακαλύφθηκε βαθιά στον βορειοδυτικό Ειρηνικό Ωκεανό, όπου ρέει δροσερό νερό ένα θαλάσσιο βουνό (ένα σβησμένο ηφαίστειο), ταξιδεύει για 50 χλμ και μετά ρέει έξω από ένα άλλο θαλάσσιο βουνό». Αυτό το νερό συγκεντρώνει θερμότητα καθώς ρέει και βγαίνει πιο ζεστό από όταν έρεε μέσα, και με πολύ διαφορετική χημεία. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα μοντέλο υπολογιστή που αναπτύχθηκε για αυτό το γήινο σύστημα, αλλάζοντας την τιμή της βαρύτητας και εξετάζοντας πώς οι ροές θα ποικίλλουν κάτω από ένα ευρύ φάσμα συνθηκών (όπως διαφορετικές ποσότητες θέρμανσης, ιδιότητες πετρωμάτων, βάθος κυκλοφορίας ρευστού).

Η ροή από το ένα θαλάσσιο όρος στο άλλο καθοδηγείται από την άνωση, επειδή το νερό γίνεται λιγότερο πυκνό καθώς θερμαίνεται και πιο πυκνό καθώς ψύχεται. Οι διαφορές στην πυκνότητα δημιουργούν διαφορές στην πίεση του υγρού στο βράχο και το σύστημα συντηρείται από τις ίδιες τις ροές. «Το ονομάζουμε υδροθερμικό σιφόνι», είπε ο Fisher, «και μπορεί να λειτουργήσει όσο υπάρχει παροχή θερμότητας και οι ιδιότητες των πετρωμάτων συνεχίζουν να επιτρέπουν την κυκλοφορία». Μερικοί ωκεάνιοι κόσμοι θερμαίνονται από μεγάλες παλίρροιες, οι οποίες μπορούν να παράγουν θερμότητα καθώς ο ωκεάνιος κόσμος κάμπτεται κατά τη διάρκεια μιας έκκεντρης τροχιάς γύρω από έναν γιγάντιο πλανήτη.

Το νέο έγγραφο δείχνει ότι, όταν η βαρύτητα είναι χαμηλότερη από τη Γη, υπάρχει μια μικρότερη δύναμη άνωσης που οδηγεί τη ροή μέσα και έξω από τον πυθμένα της θάλασσας - αυτό τείνει να επιβραδύνει την κυκλοφορία του νερού και να απομακρύνει τη θερμότητα. Ταυτόχρονα, λιγότερη άνωση όταν η βαρύτητα είναι χαμηλότερη οδηγεί επίσης σε λιγότερη δευτερεύουσα ανάμειξη κάτω από τον πυθμένα της θάλασσας, μια διαδικασία που τείνει να καταναλώνει ενέργεια και έτσι να μειώνει τη ροή μεταξύ των προεξοχών.

Ένα συναρπαστικό αποτέλεσμα από προσομοιώσεις που παρουσιάζονται στη νέα εργασία είναι ότι, κάτω από πολύ χαμηλή βαρύτητα (όπως αυτή που βρέθηκε στον πυθμένα του Εγκέλαδου, ένα μικρό φεγγάρι του Κρόνου), η κυκλοφορία μπορεί να συνεχιστεί με χαμηλές έως μέτριες θερμοκρασίες για εκατομμύρια ή δισεκατομμύρια χρόνια - π.χ. καθ' όλη τη διάρκεια της ζωής του Ηλιακού Συστήματος. Αυτό θα μπορούσε να βοηθήσει να εξηγηθεί πώς οι μικροί κόσμοι των ωκεανών, με βαρύτητα πολύ χαμηλότερη από ό,τι στη Γη, μπορούν να έχουν μακρόβια συστήματα κυκλοφορίας ρευστού κάτω από τους πυθμένες της θάλασσας: η χαμηλή απόδοση της εξαγωγής θερμότητας θα μπορούσε να οδηγήσει σε σημαντική μακροζωία. Επιπλέον, ορισμένες προσομοιώσεις οδήγησαν σε θερμοκρασίες υγρών εξαερισμού έως και 150 °C, ακριβώς πάνω από τα ανώτερα όρια ζωής στη Γη, παρά τη σχετικά ρηχή κυκλοφορία κάτω από τον πυθμένα της θάλασσας. Συνολικά, αυτές οι προσομοιώσεις δείχνουν ότι η χαμηλή βαρύτητα αλλάζει σημαντικά τις θερμοκρασίες και τους ρυθμούς ροής, και επομένως πιθανότατα επηρεάζει τη χημεία των ρευστών εκκένωσης σε σύγκριση με αυτό που θα μπορούσε να βρεθεί στη Γη.

Οι πλανητικοί επιστήμονες αναζητούν παρατηρήσεις από δορυφορικές αποστολές για να βοηθήσουν στον προσδιορισμό του είδους των συνθηκών που υπάρχουν ή είναι δυνατές στους κόσμους των ωκεανών. Η ομάδα συγγραφέων για τη νέα εργασία θα παρευρεθεί στην εκτόξευση του διαστημικού σκάφους Europa Clipper στο Cape Canaveral, FL αργότερα αυτό το φθινόπωρο, μαζί με συναδέλφους που συνεργάζονται στο έργο Exploring Ocean Worlds.

Σύμφωνα με τον Γερμανό του WHOI, ο οποίος είναι επίσης συν-συγγραφέας της εργασίας, «Ένα σημαντικό αποτέλεσμα από αυτή τη μελέτη είναι ότι υποδηλώνει ότι τα υδροθερμικά συστήματα χαμηλής θερμοκρασίας (όχι πολύ ζεστά για ζωή) θα μπορούσαν να έχουν διατηρηθεί στους ωκεανικούς κόσμους πέρα από τη Γη σε χρονικές κλίμακες περισσότερο από ό,τι χρειάστηκε για να επικρατήσει για πρώτη φορά παρόμοια ζωή στη Γη. Έτσι, οι Κόσμοι των Ωκεανών στο εξωτερικό ηλιακό σύστημα θα μπορούσαν επίσης να είναι κατοικήσιμοι και, ίσως, να φιλοξενήσουν ζωή».