КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2008, том 46, № 6, с. 529-535
УДК 532.5:523.46-862
О НЕКОТОРЫХ ПРОБЛЕМНЫХ ВОПРОСАХ, СВЯЗАННЫХ
С ОБРАЗОВАНИЕМ ХАОТИЧЕСКИ РАСПОЛОЖЕННЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ РЕЛЬЕФА НА ПОВЕРХНОСТИ ЕВРОПЫ
© 2008 г. Е. Н. Чумаченко, Р. Р. Назиров
Институт космических исследований РАН, г. Москва Поступила в редакцию 11.07.2007 г.
Обсуждаются материалы, связанные с образованием линз и хаотических полос на ледяной поверхности Европы. Высказывается ряд предположений относительно их образования за счет температурных напряжений в ледяном покрове спутника Юпитера и воздействия гравитационных приливных сил.
PACS: 46.25.Hf, 96.30.ld
ВВЕДЕНИЕ
Эта работа - результат обсуждения специалистами из разных отраслей знаний тех данных, которые на сегодняшний день нам доступны после полетов кораблей NASA Вояджер и Галилео к спутнику Юпитера Европе. Обсуждение1 касалось вопросов, связанных с образованием линз, выступов и ям, а также образования хаотических полос на ледяной поверхности Европы.
Сначала, очень коротко, о спутнике и о его строении. Европа была открыта Галилеем в 1610 году. Данные космического корабля NASA Galileo указывают на то, что внутри Европа состоит из слоев с малым металлическим ядром в центре, силикатной горной породы и ледяного покрытия. Поверхность Европы ни на что не похожа в нашей Солнечной системе. Она чрезвычайно гладкая. Перепады рельефа не превышают 100 м.
Наблюдения показывают, что Европа имеет очень незначительную атмосферу (10-11 бар), состоящую из кислорода. Кислород не биологического происхождения. Наиболее вероятно, что солнечный свет и заряженные частицы, воздействуя на ледяную поверхность Европы, производят водяной пар, который впоследствии разделяется на водород и кислород. Водород улетучивается, оставляя один кислород.
Поверхность Европы представляет большой интерес, так как под ледяной коркой находится океан жидкой воды, создающий условия для жизни. Предполагается, что толщина ледяного покрова Европы порядка 10 км. Ледяной и жидкий слой океана распространяется примерно на 100 км. Температура на поверхности Европы
1 Авторы признательны профессору Рабиновичу Б.И. за участие в обсуждении полученных результатов и сделанные по работе замечания.
около -170°С. Предполагается, что вода замерзает при -5°С, -6°С.
Вся ледяная поверхность спутника покрыта сетью полос, впадин и выступов. Эти образования объясняются тем, что ледяная поверхность достаточно подвижна и неоднократно раскалывалась от внутренних напряжений и крупномасштабных тектонических процессов.
Изучению образования этих дефектов, типа линз, выступов и впадин, посвящено достаточно большое число научных публикаций. Обратимся к наиболее характерным соображениям по этому поводу, опубликованным в научных зарубежных изданиях [1-5].
ОБСУЖДЕНИЕ ПРИРОДЫ ОБРАЗОВАНИЯ ДЕФЕКТОВ НА ПОВЕРХНОСТИ ЕВРОПЫ
Концептуальная модель [1] полагает, что тепловая энергия, излучаемая ядром Европы, вызывает большие циклонические вращающиеся горячие шлейфы (струи), поднимающиеся сквозь океан и обеспечивающие достаточно высокую температуру для таяния лежащего выше льда. Тектонические и вулканические процессы могут вызывать различные конвекционные процессы во вращающемся океане Европы (рис. 1, 2). Мощные шлейфы с высокой плавучестью (гтах/№тах > 1), мини шлейфы, тепловые потоки над тектоническими разломами и т.д.
Тепловые потоки, поднимаясь к поверхности океана, осуществляют локальное протаивание ледяного слоя. За счет вращения Европы, теплая вода задерживается в "линзе", обеспечивая аккумуляцию тепла от одного или нескольких шлейфов (рис. 3).
В других сериях работ полагается, что поднимающийся поток достаточно плавучий, что бы вызвать выгибание вверх и растрескивание по-
"лег
а
3
> ^ Л. ^111 1 V циркуляция г
-шах
Циклоническая1. I : циркуляция
дно океана
дно океана
Рис. 1. Океанические шлейфы от нагретых магмой зон морского дна: а - рассеянные шлейфы; б - шлейфы с высокой плавучестью.
верхности льда [2]. Таким образом, по их мнению, и образовываются линзы (рис. 4). Плавление же льда приводит к образованию низкой топографии. То есть образованию впадин, которые тоже хорошо просматриваются на поверхности Европы.
И, наконец, можно выделить третью серию работ, определяющих еще одну концепцию. Здесь уже говорится не только о продавливании подтаявшей поверхности льда, но и о процессе "перфорирования" ледяного покрова [3]. Этим объясняются пологие и вертикальные, "рваные" края выступов на Европе. Надо заметить, что, по мнению авторов, разломы появляются преимущественно по краям линз (рис. 5).
Следует отметить, что все перечисленные основные (наиболее упоминаемые) гипотезы образования хаоса на поверхности Европы не учитывают влияния температурных напряжений, а они могут оказаться существенными.
При дальнейших рассуждениях воспользуемся данными о физико-механических свойствах льда и жидкости, приведенными в работах [6, 8]. Расче-
ты термо-напряженно-деформированного состояния будем осуществлять с помощью конечно-элементной вычислительной системы БРЬБК (www.kommek.ru). Постановки соответствующих краевых задач подробно описаны в работах [7, 9].
Рассмотрим отдельно расположенную линзу, образованную вихревым тепловым шлейфом. Для трех последовательных состояний протаива-ния на рис. 6 приведены поля температур и соответствующих сдвиговых и средних напряжений. Обратим внимание на обширную зону растягивающих напряжений, радиусом почти вдвое больше радиуса линзы. Причем выпучивание ледяной поверхности осуществляется только за счет тектонического, локального подогрева океанической поверхности линзы. Наиболее значительные сдвиговые напряжения локализуются в куполе линзы и на ее краю.
Оценку вероятных разрушений в окрестности линзы целесообразно выполнить с помощью критерия Шлейхера-Надаи [7], который позволяет учесть одновременно специфику и хрупкого и
Во
лед
гБ
Б
Г 3
Г I £±±±±±¿1
гс > Б
г0 < г
2г
лед
Ш"
о
гс > Б
гБ > г
Сч ! I 1 Г ! Т 1 Т Т А®
Рис. 2. Режимы конвекции во вращающемся океане Европы: а - сильный циклонический режим вращения; б - непостоянный режим; в - бароклинно устойчивый режим.
вязкого разрушения. Анализ рассчитанных по критерию Шлейхера-Надаи полей, позволяет сделать следующие выводы.
Выпучивание линз может осуществляться не только за счет высокой плавучести шлейфов, но и за счет возникающих температурных напряжений.
Разломы в линзе могут возникать как в центре, так и по контуру. Это легко объясняет процесс "перфорированного" выдавливания линзы в тех случаях, когда давление от шлейфа и температурные напряжения складываются со сдвиговыми напряжениями, возникающими от действия гравитационно-приливных сил.
Отметим так же, что температурные напряжения могут приводить к У-образному сколу в окрестности купола линзы. Прошедшая по такому сколу вода будет создавать замерзший, немного размытый, ледяной вал вокруг скола. Такого типа дефекты ледяной поверхности, наряду с по-
логими выпуклостями и "перфорированными" выступами хорошо просматриваются на снимках Европы (рис. 7а, 7г).
Теперь, что касается образования трещин. Наиболее интересной является версия, сопоставляющая тектонические процессы на океанском дне Земли с процессами вулканического происхождения на Европе. Трещины классифицируются, как медленные и быстрые (рис. 7д). Первые связаны со сдвигами тектонических плит, а вторые с разломами. Внешний вид трещин на ледяной поверхности Европы (рис. 7г, 7в) вполне соответствует виду трещин на океанском дне Земли.
Некоторые исследователи полагают [4], что быстрые трещины во льдах Европы аналогичны медленным тектоническим донным трещинам на Земле, а медленные имеют сходство с быстро образующимися тектоническими разломами.
Рис. 3. Варианты протаивания льда на поверхности Европы: а - относительно ровный участок; б - участок с выступами.
а б
Рис. 4. Линзы и хаотические наплавления: а - динамический подъем теплового потока вызывающий раскалывание и линзообразование; б - протаивание линзы, локальное разрушение и оседание ледяного покрова.
С нашей же точки зрения, имеется именно полная аналогия образования трещин и разломов. Вид быстрых трещин объясняется выбросом из них относительно "горячей" воды на очень холодную поверхность Европы. Величина их "окантовки" зависит, скорее всего, от физического состояния и толщины ледяного слоя в окрестности трещины. Чем глубже трещина, тем меньше величина ее "завальцовки". Широкие "размытые" трещины могут образовываться за счет медленных сдвиговых процессов в местах "фронтального" подтаивания ледяного покрова Европы в тепловых потоках типа "стенок".
Толчком к образованию трещин, как считают, практически, все исследователи, служат гравитационно-приливные силы. Однако, с нашей точки зрения, нельзя недооценивать и температурные напряжения, обусловленные высоким градиен-
том температур в окрестности линз. На рис. 76 приведены температурные поля для линз, расположенных на расстоянии 2.6; 2.2 и 1.6 радиуса линзы соответственно. Оценка возможных зон разрушения по критерию Шлейхера-Надаи говорит о том, что пренебрегать температурными напряжениями при объяснении природы образования трещин, было бы весьма опрометчиво.
Складываясь с гравитационными силами, образовавшиеся концентраторы сдвиговых напряжений усиливают провокацию образования трещин. Тем более, что формирование линз и выступов происходит не в идеальных условиях, как это было сделано в рассмотренных примерах. Они имеют не ровные края и, следовательно, не однозначные концентраторы напряжений, провоцирующие разломы и трещины. Во многих публикациях отмечается, что, так
Рис. 5. Снимки "линз" на Европе и схема, поясняющая образование пологих и "рваных" краев на выступах.
90 45 0
90 45 0
90 45 0
90 45 0
90 45 0
90 45
Поле температур
Т, °С
-150 90
-131.3 45
-112.5
-93.8 0
-75 90
-56.3
-37.5 45
-18.8 0
0 90
25
50 45
0
Поле интенсивности напряжений Сц, кг/мм2 0
90 45 0
90 45 0
90 45
Поле средних напряжений
С*, кг/мм2 -12 0
0.38
90 135 180 225 270 315 360
90 135 180 225 270 315 360
0
0
Рис. 6. Распред
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.