Isskaltykkelsen afslører vandtemperaturen på havverdener

Årtier før nogen sonde dykker en tå – og et termometer – i vandet i fjerne oceanverdener, har Cornell-astrobiologer udtænkt en ny måde at bestemme havtemperaturer baseret på tykkelsen af ​​deres isskaller, og effektivt udføre oceanografi fra rummet.

Tilgængelige data, der viser variation i istykkelse, tillader allerede en forudsigelse for det øvre hav af Enceladus, en Saturns måne, og en NASA-missions planlagte orbitalundersøgelse af Europas isskal skulle gøre det samme for den meget større jovianske måne, hvilket forbedrer missionens resultater om, hvorvidt det kunne understøtte livet.

Forskerne foreslår, at en proces kaldet "ispumpning", som de har observeret under antarktiske ishylder, sandsynligvis former undersiden af ​​Europas og Enceladus' isskaller, men bør også fungere ved Ganymedes og Titan, henholdsvis store måner af Jupiter og Saturn. .

De viser, at temperaturområder, hvor isen og havet interagerer – vigtige områder, hvor ingredienser til liv kan udveksles – kan beregnes ud fra en isskals hældning og ændringer i vands frysepunkt ved forskellige tryk og saltholdigheder.

"Hvis vi kan måle tykkelsesvariationen på tværs af disse isskaller, så er vi i stand til at få temperaturbegrænsninger på havene, hvilket der virkelig ikke er nogen anden måde at gøre endnu uden at bore i dem," sagde Britney Schmidt, lektor i astronomi og af jord- og atmosfæriske videnskaber i College of Arts and Sciences og Cornell Engineering. "Dette giver os endnu et værktøj til at prøve at finde ud af, hvordan disse oceaner fungerer. Og det store spørgsmål er, om der lever ting der, eller kunne de?"

Sammen med nuværende og tidligere medlemmer af hendes Planetary Habitability and Technology Lab er Schmidt, som er medlem af NASA's Europa Clipper videnskabsteam, medforfatter af "Ice-Ocean Interactions on Ocean Worlds Influence Ice Shell Topography," offentliggjort i Journal of Geophysical Research:Planets . Den første forfatter er Justin Lawrence, gæsteforsker ved Cornell Center for Astrophysics and Planetary Science (A&S) og programleder hos Honeybee Robotics.

I 2019, ved hjælp af den fjernbetjente Icefin-robot, observerede Schmidts team, inklusive Lawrence, is pumpe inde i en sprække under Antarktis Ross Ice Shelf. Glat og overskyet meteorisk is ved hyldens base smeltede og producerede friskere, mindre tæt vand, der steg op ad sprækken og igen frøs til som ru, grøn havis. Resultater blev rapporteret i Nature Geoscience og videnskabelige fremskridt , i artikler ledet af Lawrence og Peter Washam, forsker ved Institut for Astronomi (A&S).

Processen er drevet af, at vands frysepunkt negativt afhænger af tryk:Når dybden og trykket stiger, skal vandet være koldere for at udvide sig og fryse. Dybt nede, hvor trykket er større og frysepunktet koldere, kan havstrømmene lettere smelte is. Hvis det smeltede isvand er flydende og stiger op til lavere dybder og lavere tryk, vil det fryse igen. Cyklussen omfordeler noget is inden for en hylde eller skal, hvilket ændrer dens sammensætning og tekstur.

"Hvor som helst du har den dynamik, ville du forvente at have ispumpning," sagde Lawrence. "Du kan forudsige, hvad der foregår ved grænsefladen mellem is og hav baseret på topografien - hvor isen er tyk eller tynd, og hvor den fryser eller smelter."

Forskerne kortlagde områder af potentiel skaltykkelse, tryk og saltholdighed for havverdener med varierende tyngdekraft og konkluderede, at ispumpning ville forekomme i de mest sandsynlige scenarier, dog ikke i alle. De fandt ud af, at interaktioner mellem is og hav på Europa kan ligne dem, der er observeret under Ross Ice Shelf - beviser, sagde Lawrence, på, at sådanne områder kan være nogle af de mest jordlignende på fremmede verdener.

NASAs Cassini-sonde genererede tilstrækkelige data til at forudsige et temperaturområde for Enceladus' hav baseret på hældningen af ​​dets isskal fra poler til ækvator:minus 1,095 grader til minus 1,272 grader Celsius. At kende temperaturer informerer forståelsen af, hvordan varme strømmer gennem havene, og hvordan de cirkulerer, hvilket påvirker beboeligheden.

Forskerne forventer, at ispumpningen vil være svag ved Enceladus, en lille måne (bredden af ​​Arizona) med dramatisk topografi, mens de i større Europa - næsten på størrelse med Jordens måne - forudsiger, at den virker hurtigt for at udglatte og flade isskallens base.

Schmidt sagde, at arbejdet viser, hvordan forskning, der undersøger klimaændringer på Jorden, også kan gavne planetarisk videnskab, en grund til, at NASA har støttet Icefins udvikling.

"Der er en sammenhæng mellem formen af ​​isskallen og temperaturen i havet," sagde Schmidt. "Dette er en ny måde at få mere indsigt fra isskalsmålinger, som vi håber at kunne få for Europa og andre verdener."

Flere oplysninger: J. D. Lawrence et al., Ice-Ocean Interactions on Ocean Worlds Influence Ice Shell Topography, Journal of Geophysical Research:Planets (2024). DOI:10.1029/2023JE008036

Journaloplysninger: Journal of Geophysical Research:Planets , Natur Geoscience , Videnskabelige fremskridt

Leveret af Cornell University