NASA Juno: Lodowa skorupa Europy ma 29 kilometrów grubości

Należąca do NASA sonda Juno dostarczyła pierwszych bezpośrednich pomiarów lodowej skorupy pokrywającej Europę, księżyc Jowisza, szacując jej grubość na około 18 mil (29 kilometrów). To istotne odkrycie, opublikowane niedawno w Nature Astronomy, wykorzystuje dane z przelotu Juno w 2022 roku, aby rozstrzygnąć wieloletnią debatę naukową dotyczącą struktury księżyca. Spoglądając pod zamarzniętą powierzchnię za pomocą zaawansowanej technologii mikrofalowej, naukowcy ustalili, że Europa posiada potężną, sztywną powłokę zewnętrzną, która spoczywa na ogromnym podpowierzchniowym oceanie ciekłej wody, co zasadniczo zmienia nasze rozumienie potencjalnej zdatności tego księżyca do zamieszkania.

Dlaczego grubość lodowej skorupy Europy jest ważna dla jej zdatności do zamieszkania?

Grubość lodowej skorupy Europy ma kluczowe znaczenie dla jej potencjału biologicznego, ponieważ determinuje wydajność transportu składników odżywczych i tlenu z powierzchni do podpowierzchniowego oceanu. Skorupa o grubości 18 mil stanowi znaczną barierę termiczną i fizyczną, potencjalnie ograniczając wymianę chemiczną wymaganą do podtrzymania życia. Choć cieńsza powłoka ułatwiałaby łączność, model grubszej skorupy sugeruje, że procesy podtrzymujące życie mogą opierać się na specyficznych kanałach geologicznych, takich jak pęknięcia lub porowate pustki, a nie na bezpośrednim kontakcie z powierzchnią.

Zainteresowanie naukowe Europą wynika w dużej mierze z hipotezy „grubej skorupy” kontra „cienkiej skorupy”. Przez dziesięciolecia planetolodzy spierali się, czy lód ma zaledwie kilka mil grubości, czy jest masywną płytą tektoniczną. Dane z sondy Juno potwierdzają tę drugą opcję, co sugeruje, że wewnętrzne środowisko księżyca jest bardziej odizolowane, niż wcześniej zakładano. Ta izolacja oznacza, że jakakolwiek aktywność biologiczna w oceanie zależałaby od energii chemicznej wytwarzanej przez aktywność hydrotermalną na dnie oceanu lub rzadki pionowy transport utleniaczy przez grubą lodową powłokę.

Regulacja termiczna wewnątrz podpowierzchniowego oceanu jest również podyktowana tą lodową pokrywą. Trzydziestokilometrowa skorupa zapewnia ogromną izolację, zatrzymując ciepło wewnętrzne generowane przez grawitacyjne „ugniatanie” przez potężne siły pływowe Jowisza. To grzanie pływowe utrzymuje wodę w stanie ciekłym, ale sama głębokość lodu komplikuje teorię „pasa transmisyjnego”, zgodnie z którą lód powierzchniowy tonie i dostarcza natlenioną materię do solanki poniżej. Zrozumienie tej dynamiki jest głównym celem badaczy z instytucji takich jak NASA's Jet Propulsion Laboratory oraz Southwest Research Institute.

Co radiometr mikrofalowy sondy Juno ujawnia na temat Europy?

Dane z radiometru mikrofalowego (MWR) sondy Juno ujawniają, że lodowa skorupa Europy składa się z zimnej, sztywnej warstwy zewnętrznej o grubości około 18 mil, charakteryzującej się wewnętrznymi nieregularnościami. Instrument wykrył rozpraszanie mikrofalowe zgodne z niewielkimi pęknięciami, porami lub pustkami o średnicy kilku cali, które sięgają setki stóp w głąb skorupy. Odkrycia te sugerują, że lód nie jest jednolitym blokiem, lecz złożoną strukturą geologiczną ukształtowaną przez intensywne naprężenia termiczne i mechaniczne.

Instrument Microwave Radiometer (MWR) posiada unikalną zdolność „widzenia” przez lity lód dzięki pomiarowi emisji termicznej na sześciu różnych częstotliwościach. W przeciwieństwie do tradycyjnych kamer, które rejestrują jedynie odbicia powierzchniowe, MWR wykrywa ciepło wydostające się z różnych głębokości lodu. Analizując te różne długości fal, zespół Juno może stworzyć pionowy profil temperatury i struktury lodu, skutecznie przeprowadzając „tomografię komputerową” ciała niebieskiego z odległości tysięcy mil.

Kluczowe ustalenia z analizy MWR obejmują następujące szczegóły strukturalne:

• Gradient termiczny: Dane wskazują na gwałtowną różnicę temperatur między mroźną powierzchnią a cieplejszym lodem w głębi skorupy.
• Centra rozpraszania: Maleńkie pustki i pęknięcia, prawdopodobnie spowodowane przez grzanie pływowe, występują powszechnie w górnych warstwach.
• Wariacje przewodnictwa: Różnice w sygnałach mikrofalowych sugerują obecność soli lub „kieszeni solankowych” uwięzionych wewnątrz matrycy lodowej.
• Sztywność skorupy: Pomiary potwierdzają, że górna warstwa jest niezwykle sztywna i zimna, opierając się przepływowi cieplejszego lodu znajdującego się poniżej.

Jak dane z Juno wpływają na nadchodzącą misję Europa Clipper?

Dane z sondy Juno dotyczące lodowej skorupy o grubości 18 mil stanowią krytyczne ograniczenia dla nadchodzącej misji Europa Clipper, pozwalając naukowcom na doprecyzowanie strategii sondowania radarowego i celów instrumentów. Ustalając bazową głębokość skorupy, NASA może lepiej skalibrować instrument REASON sondy Clipper, aby spenetrować lód i poszukać kieszeni z ciekłą wodą. Ta synergia gwarantuje, że przybycie Clippera w 2030 roku zostanie zoptymalizowane pod kątem konkretnej rzeczywistości geologicznej Europy.

Przygotowania do misji Europa Clipper obejmują identyfikację najbardziej obiecujących obszarów do badań, takich jak regiony, w których lód może być cieńszy lub bardziej aktywny. Ustalenia Juno pełnią rolę raportu zwiadowczego, wskazując na „teren chaosu” – regiony połamanego, przesuniętego lodu – które mogą służyć jako okna do podpowierzchniowego oceanu. Naukowcy nadadzą teraz priorytet tym obszarom w celu wykonania obrazowania o wysokiej rozdzielczości i analizy spektroskopowej, aby wykryć związki organiczne lub oznaki pióropuszy gazów.

Co więcej, sukces misji Juno z instrumentem MWR wykazał wartość wielofalowej teledetekcji w układzie Jowisza. Ma to bezpośrednie konsekwencje dla misji JUICE Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA), która również znajduje się w drodze do zbadania księżyców Jowisza. Poprzez krzyżowe zestawienie danych mikrofalowych Juno z przyszłymi pomiarami radarowymi i grawitacyjnymi, globalna społeczność naukowa może zbudować precyzyjny model 3D Europy, przybliżając nas do odpowiedzi na pytanie, czy ten lodowy świat może gościć życie pozaziemskie.

Aktywność geologiczna i ewolucja terenu chaosu

Grzanie pływowe pozostaje głównym silnikiem napędzającym ewolucję powierzchni Europy i jej lodowej skorupy o grubości 18 mil. Ponieważ Europa krąży wokół Jowisza po eliptycznej orbicie, potężna grawitacja planety rozciąga i ściska księżyc, generując tarcie i ciepło wewnątrz lodu. Proces ten odpowiada za powstawanie „terenu chaosu”, gdzie lodowa powierzchnia wydaje się stopiona, rozbita na kry i ponownie zamrożona w chaotyczny krajobraz. Dane z Juno sugerują, że te struktury są prawdopodobnie wynikiem konwekcji wewnątrz grubej skorupy lodowej, a nie topnienia cienkiego lodu.

Obserwacja potencjalnych pióropuszy lub wyrzutów pary wodnej zyskuje również nowy kontekst przy szacowanej grubości skorupy wynoszącej 18 mil. Jeśli woda rzeczywiście przebija się na powierzchnię, musi przemieszczać się przez ogromne pęknięcia lub być wypychana w górę przez intensywne ciśnienie. Naukowcy szukają teraz dowodów na istnienie tych wysokociśnieniowych kanałów w telemetrii sondy Juno. Jeśli pióropusze istnieją, oferują one „darmową próbkę” ukrytego oceanu, pozwalając przyszłym sondom przelecieć przez opar i przeanalizować jego skład chemiczny bez konieczności przeprowadzania złożonej misji wiertniczej.

Co dalej w eksploracji Europy

W miarę jak misja Juno kontynuuje swój przedłużony okres eksploatacji, jej uwaga pozostaje skupiona na złożonym środowisku układu Jowisza. Dane zebrane podczas przelotu w 2022 roku będą studiowane przez nadchodzące lata, stanowiąc mapę drogową dla nowej generacji odkrywców. Celem nie jest już tylko potwierdzenie istnienia oceanu, ale określenie zdatności do zamieszkania tego środowiska. Przyszłe modele uwzględnią grubość 18 mil, aby symulować prądy oceaniczne, stężenie soli i potencjał przetrwania życia w ciemnych, znajdujących się pod ogromnym ciśnieniem głębinach Europy.