Un satélite helado de Saturno, Encelado , ha sido un tema de creciente interés en los últimos años desde Cassini capturaron chorros de agua y otros materiales que se expulsaron del polo sur de la luna. Una hipótesis particularmente tentadora respaldada por la composición de la muestra es que podría haber vida en los océanos bajo las conchas de hielo de Encelado. Para evaluar la habitabilidad de Encelado y descubrir la mejor manera de sondear esta luna helada, los científicos deben comprender mejor la composición química y la dinámica del océano de Encelado.
Específicamente, un apropiado salinidad podría ser importante para la habitabilidad. Como la papilla del Tres osos , el nivel de sal del agua debe ser el adecuado para que la vida prospere. Una salinidad demasiado alta podría poner en peligro la vida, y una salinidad demasiado baja puede indicar una reacción agua-roca débil, lo que limita la cantidad de energía disponible para la vida. Si existe vida, la circulación oceánica, que también depende indirectamente de la salinidad, determinará a dónde se transportan el calor, los nutrientes y las biofirmas potenciales y, por lo tanto, es la clave para la detección de biofirmas.
UT Video discutiendo los logros de la misión Cassini.
Un equipo de científicos que trabaja con Dr. Wanying Kang en el MIT aborda estas preguntas simulando numéricamente las probables circulaciones oceánicas para varios niveles posibles de salinidad y evaluando la probabilidad de cada escenario preguntando si es capaz de mantener la geometría de la capa de hielo observada que Cassini trazó en la luna helada.
La circulación oceánica depende de las diferencias de densidad del agua que la constituye en diferentes partes del océano. El agua más densa fluirá hacia el agua menos densa para alcanzar un equilibrio. Esas diferencias de densidad están controladas en sí mismas por dos factores clave, la ubicación de la fuente de calor de la luna y la salinidad del océano, los cuales no se conocen bien en la actualidad.
UT Video discutiendo la composición química de Encelado.
Hay dos lugares en Encelado para una posible fuente de calor: en el núcleo de silicato o en la plataforma de hielo inferior donde se encuentra con la parte superior del océano. Si se produce una cantidad significativa de calor en el núcleo de silicato a través de la flexión de las mareas debajo del océano, los científicos esperarían ver convección, tal como sucede cuando se hierve una olla de agua. De manera similar, si la congelación ocurre en la parte superior del océano, la sal será expulsada del hielo, lo que aumentará la densidad del agua local y desencadenará la convección desde la parte superior.
La salinidad también juega un papel clave en esos cálculos de densidad. Para niveles de salinidad relativamente bajos, el agua se contrae al calentarse cerca del punto de congelación, haciéndola más densa. Dado que el océano de Encelado está en contacto con una capa de hielo global, está cerca de congelarse. Esto es contrario a la forma en que la mayoría de la gente piensa sobre el calentamiento, lo que generalmente implica que el material se vuelve menos denso con el aumento de la temperatura. En salinidades más altas, esto se vuelve cierto y el agua comienza a comportarse normalmente, expandiéndose al calentarse.
Corte que muestra el interior de Encelado, la luna de Saturno. Crédito: ESA
Dada la incertidumbre de la salinidad del océano de Encelado (entre 4 y 40 gramos de sal por kilogramo de agua) y qué porcentaje del calentamiento del planeta tiene lugar en cualquiera de las dos fuentes, la Dra. Kang y sus coautores utilizaron el modelo oceánico del MIT para simular la circulación oceánica bajo varias combinaciones, asumiendo que la capa de hielo observada se mantiene al congelarse en las regiones espesas de hielo y derritiéndose en otras partes. Esto es cierto en gran medida para los mundos helados, ya que las plataformas de hielo se aplanarían naturalmente con el tiempo debido al flujo de hielo si ningún otro proceso mantiene una diferencia.
El equipo diagnosticó el transporte de calor en varios escenarios y descubrió que solo algunos de ellos pueden mantener en general un 'equilibrio' presupuesto de calor , es decir, cómo las diversas fuentes de calor (la cantidad de flujo de calor del océano al hielo, más la producción de calor en el hielo debido a la flexión de la marea, más la liberación de calor latente) pueden equilibrar exactamente la pérdida de calor por conducción a través del hielo. cascarón.
Imagen del artículo que muestra el ciclo del agua y el hielo en los océanos de Encelado.
Crédito: Kang et all
Según el modelo, dicho equilibrio se puede lograr en términos generales si la salinidad del océano se encuentra en un nivel intermedio (10-30 g / kg) y si la capa de hielo es la fuente de calor dominante. Cuando se cumplen estas dos condiciones, la circulación oceánica es débil. Como resultado, el agua polar cálida no se mezclará hacia el ecuador con demasiada eficacia, por lo que no se producirá el derretimiento ecuatorial. Esto da como resultado una plataforma de hielo que es más gruesa alrededor del ecuador de la luna, como lo observó Cassini. También implica que la presión en la interfaz agua-hielo es menor en los polos, lo que significa que también tiene un punto de congelación más alto que el agua en el ecuador.
Para aquellos escenarios con un balance de calor 'desequilibrado', lo que significa que parte del calor creado en la luna no se elimina, el transporte de calor hacia el ecuador es demasiado eficiente y la capa de hielo ecuatorial tenderá a derretirse. Mientras tanto, la fuerza del gradiente de presión impulsará un flujo de hielo desde el ecuador hacia los polos. Juntos, el derretimiento y el flujo de hielo reducirán inevitablemente el espesor del hielo cerca del ecuador. En este escenario, la geometría del hielo observada no se puede mantener durante la vida de la luna .
Representación artística que muestra una sección transversal interior de la corteza de Encelado, que muestra cómo la actividad hidrotermal puede estar causando las columnas de agua en la superficie de la luna. Créditos: NASA-GSFC / SVS, NASA / JPL-Caltech / Southwest Research Institute
Al final, el trabajo de la Dra. Kang y sus colegas destaca que la capa de hielo y la circulación oceánica en satélites helados deben considerarse como un sistema acoplado: la circulación oceánica redistribuye el calor y da forma a la capa de hielo y, a su vez, la capa de hielo se congela / el derretimiento y la variación del espesor impulsan la circulación oceánica. Un buen resultado de esta investigación es que indica la posibilidad de inferir uno del otro, lo que puede ser útil mucho más allá de Encelado. Como parte de ese esfuerzo por comprender las lunas heladas de nuestro sistema solar, un grupo conocido como el Programa Explorando los mundos oceánicos Trabajaremos juntos para profundizar nuestro conocimiento sobre la habitabilidad de las lunas heladas y la forma óptima de probarlas.
Aprende más:
arXiv - ¿Cómo influye la salinidad en la circulación oceánica y la geometría del hielo en Encelado y otros satélites helados?
UT - Moléculas orgánicas complejas están burbujeando desde el interior de Encelado
UT - El núcleo radiactivo podría explicar los géiseres en Encelado
Imagen principal:
Ilustración del interior de Encelado: espesores no a escala.
Crédito: NASA / JPL - Caltech