АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2008, том 42, № 2, с. 132-147
УДК 523.45-87:523.46-87:523.4-827:52-334.2:52-423:52-55:452-468
МОДЕЛЬ ВЗРЫВНЫХ ВЫБРОСОВ ВОДЯНОГО ПАРА И ПЫЛИ
НА ЛЕДЯНЫХ СПУТНИКАХ
© 2008 г. Е. Г. Фатеев
Институт прикладной механики Уральского отделения РАН, Ижевск Поступила в редакцию 02.06.2006 г. После исправления 22.02.2007 г.
Обсуждается возможность генерации водяного пара и других газообразных продуктов при взрывных выбросах льда не вулканической природы в литосферах ледяных спутников. Взрывные выбросы льда с его фрагментированием до микро- и наноосколков могут происходить в обширных глубинных слоях оболочек ледяных спутников типа Европы, Ганимеда, Энцелада и других в случае эпизодического образования в их литосферах гигантских трещин. Такие трещины могут быть порождены приливными силами, синхронными резонансами спутников или особо мощными ударными воздействиями. Модель основана на полученном недавно экспериментальном свидетельстве существования взрывной неустойчивости льда (эффект Бриджмена), достигаемой при сильном неоднородном сжатии в области высоких давлений и низких температур. Пленки воды с толщинами до единиц микрон могут быть образованы при взаимном трении фрагментов льда при их квазижидком течении в момент взрывного выброса. В объеме 1 м3 выбрасываемых фрагментов льда может образоваться порядка 1-10 литров пленочной воды. Водяной пар может быть образован из пленочной воды при ее вскипании после быстрого сброса давления в результате выброса смеси льда и воды за пределы берегов трещин. Также некоторое количество газообразных продуктов в виде молекул водорода, кислорода, аммиака и радикалов на их основе может быть сгенерировано при электрон- и иониндуцированном распылении и диссоциации наноразмерных фрагментов льда одновременно в процессе его взрывного фрагментирования в результате фракто-, трибо- и вторичной эмиссии. Из оценок следует, что на спутниках может иметься преобладание объема извергнутого водяного пара над выходом ионизированных газов не менее чем в 105-107 раз. Водяной пар и ледяная пыль микроскопических размеров могут выбрасываться из трещин в литосфере небольших спутников типа Энцелада со скоростями, превосходящими вторую космическую. Генерируемые в подобных эпизодических процессах газообразные продукты, скорее всего, смогут вносить существенный вклад в плотность существующей атмосферы на малых ледяных спутниках, но незначительный вклад на больших. Свидетельством реалистичности предложенной модели может стать наблюдение скачкообразных перемещений вдоль устьев гигантских трещин наиболее плотных сгущений струй пара и пыли, нормальных к поверхности спутников. Следствием таких блужданий струй пара могут быть синхронные передвижения тепловых пятен на поверхности спутников вдоль устьев трещин со скоростями, оцениваемыми на уровне ~10 км/ч.
PACS: 62.50.+p, 83.80.Nb, 96.30.-t, 96.30.Mh
ВВЕДЕНИЕ
В середине 2005 г. КА Cassini, находящийся вблизи планеты Сатурн, зафиксировал эффект истечения водяного пара и микродисперсного льда в приполярном районе его небольшого спутника Энцелада. Источник истечения идентифицируется с геологическими структурами типа борозд, имеющими вид "тигриных полос" (Jaumann и др., 2006; Spencer и др., 2006; Porco и др., 2006; Spahn и др., 2006; Waite и др., 2006; Brown и др., 2006; Dougherty и др., 2006; Kargel, 2006). Струи выходят в космос далеко за пределы Энцелада, который имеет диаметр порядка 510 км. Причем из анализа данных масс-спектрометра, установленного на КА Cassini, следует, что скорость производства пара в окрестности южного полюса Энцелада находится в пределах N ~ 150 кг/с ~ 0.5 х 1028 H2O
молекул/с (Hansen и др., 2006). Не исключено, что подобные выбросы газов в виде струй могут существовать и на других небольших спутниках Юпитера и Сатурна, а также и на более крупных телах таких, как Европа, Ганимед или Титан.
Истолкование наблюдаемого явления на основе гипотезы о вулканических выбросах (Spencer и др., 2006; Porco и др., 2006) для Энцелада имеет серьезные затруднения. Действительно, борозды в форме "тигриных полос", скорее, напоминают сеть глубоких трещин, чем цепочки кратеров вулканов. Из моделей взрывного фрагментирования лав при извержении через сопло вулканов следует возможность образования микродисперсных частиц, как это в действительности имеет место и на Энцеладе (Spahn и др., 2006). Однако для образования микроскопических фрагментов требует-
ся существование кипящей лавы (Alibidirov, Dingwell, 1996; Kaminski, Jaupart, 1998). Трудно представить, что подобные процессы с кипением воды могут протекать на дне трещины в литосфере Эн-целада. Для развития гипотезы о вулканической природе струй пара и ледяной пыли на ледяных спутниках необходимо провести реалистические оценки баланса между оттоком и притоком тепла к дну трещины. Важным критерием реалистичности любых предлагаемых моделей может быть близость ожидаемых в них скоростей производства пара с наблюдаемой скоростью N (Hansen и др., 2006).
Для объяснения наблюдаемых эффектов на Энцеладе и их возможного проявления на других ледяных спутниках вполне уместно предложить альтернативную модель, проиллюстрированную на рис. 1. Можно предположить, например, что выбросы газа и микродисперсного льда на Энцеладе связаны с взрывными явлениями за счет высвобождения упругой энергии льда, имеющейся у него на больших глубинах за счет литостатиче-ского давления и механических напряжений в блоках коры, возникающих из-за ее сжатия и растяжения во время приливов и отливов и других процессов. Взрывные выбросы льда, подобные эффекту Бриджмена (Bridgman, 1935), в принципе, могут происходить в толстых ледяных оболочках Ганимеда, Европы или Титана на таких глубинах, где имеются необходимые условия с критическими параметрами давления и температуры (Фатеев, 2006). Эти условия определяются критической зависимостью порога возбуждения взрывной неустойчивости льда от температуры, найденной в экспериментах (Фатеев, 2001), и распределением давления и температуры по толщине ледяной коры спутников (Фатеев, 2006). Анализ такой возможности был проведен для модели чистого льда без учета возможного содержания в нем аммиака или других компонентов. Если для больших спутников Юпитера и Сатурна условия для взрывных выбросов льда в литосферах, в общем-то, имеются, то для формирования таких условий в коре небольших спутников (типа Энце-лада) на полюсах сильных механических сжатий или растяжений, достаточных для локальных разрывов в коре литосферы, и проявления эффекта Бриджмена необходимы особые условия. Например, эпизодические гравитационные воздействия соседних спутников в условиях так называемых синхронных резонансов (Wisdom, 2004; Porco и др., 2006).
В любом случае, большой или маленький спутник нас интересует, остается открытым вопрос, каков может быть механизм генерации газообразных продуктов (в основном водяного пара) в процессах, аналогичных взрывному эффекту Бриджмена, в их ледяных литосферах? Соответственно, целью этой работы является построение
Выброс газа и микрочастиц льда
Поверхность льда
10-
м к
н
t20 л
(-4
30-
40 L
Подледный океан
Рис. 1. Схема возможного вида взрывного выброса газа и микроскопических пылинок льда из гигантской трещины в толстых ледяных оболочках ледяных спутников. Вид трещины показан условно, ее реальная ширина может быть от нескольких сантиметров до десятков и сотен метров.
моделей производства водяного пара и ионизированных газов в результате возможных в ледяных литосферах механических взрывных явлений, не имеющих вулканической природы. Будет обсуждена возможность выноса истекающими в таких процессах газообразными продуктами сопутствующих микроскопических осколков ледяной пыли, в том числе и за пределы небольших спутников. Особое внимание будет уделено обсуждению возможных для наблюдений с космических аппаратов эффектов, которые свидетельствовали бы о реалистичности предлагаемых механизмов взрывного извержения газообразных продуктов и ледяной пыли.
МОДЕЛЬ ВЗРЫВНОГО ИЗВЕРЖЕНИЯ ВОДЯНОГО ПАРА
Для понимания возможности генерирования водяного пара между берегами гигантской трещины в литосфере ледяного спутника рассмотрим явление взрывного выброса льда типа эффекта Бриджмена более подробно.
Можно выделить две стадии в процессах, при которых может происходить взрывной выброс льда подобный эффекту Бриджмена. На первой стадии некоторая часть слоя льда, находящаяся в критических полях механических напряжений при раскрытии боковой границы, разрушается во всем своем объеме. Причем в результате взрывного разрушения фрагменты льда могут быть распределены по размерам по иерархическому закону, вплоть до микроскопических пылинок.
0
Это приводит ко второй стадии, когда разрушенный объем слоя льда подобно квазижидкости (Фатеев, 2005), испытывая сильное литостатиче-ское давление в литосфере, весь или частично взрывоподобно выбрасывается со скоростями порядка 0.5-2 км/с.
Возможность реализации сверхпластичного состояния льда может быть обусловлена существенным уменьшением его вязкости за счет локального разогрева границ зерен (см. например, Краснощеков и др., 1990) при взрывной диссоциации межатомных связей. Основной причиной локального разогрева границ зерен в предвзрывной стадии сжатия непосредственно перед проявлением эффекта Бриджмена может быть переход кинетической энергии решеточных дислокаций (движущихся со скоростями, близкими к звуковым) при столкновении с границами зерен в тепловую энергию.
Заметим также, что на поверхности зерен льда при температурах существенно ниже температур его плавления (выше ~240 К) существуют пленки расплава толщиной от единиц до нескольких десятков ангстрем (Анисимов, Танкаев, 1981; 1оИап и др., 1994; 8а1уеШ и др., 1995; В1иИш и др., 2002).
Быстрое квазижидкое течение разрушенного во всем объеме льда во время выброса будет во многом аналогично течению низковязкой жидкости. Поэтому для описания такого течения в условиях возбуждения взрывного выброса можно пользоваться гидродинамическим приближением (Фатеев, 2005). Такое приближение, однако, по отношению
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.