Криовулканизм на Хароне и других объектах пояса Куйпера

Cтатья S. J. Desch, J. C. Cook, W. Hawley and T. C. Doggett, Школа Исследований Земли и Космоса, Аризонский Государственный Университет, Темпе

Lunar and Planetary Science XXXVIII (2007)

Объекты пояса Куйпера (Kuiper, KBO) - самые холодные объекты Солнечной системы, и они часто считаются мертвыми в геологическом смысле. Несмотря на это, многие из них ясно показывают присутствие кристаллического водяного льда на своей поверхности (линия поглощения в спектре 1.65 мкм), включая Харон, Квавар и 2003 EL61. Помимо этого, на Хароне и Кваваре также наблюдается поглощение на 2.21 мкм, что соответствует линии гидратов аммиака. Космические лучи, и особенно ультрафиолетовое излучение Солнца, должны трансформировать кристаллический лед на поверхности KBO в течение времени менее 105 лет, а гидраты аммиака - менее 107 лет. Поэтому присутствие кристаллического водяного льда и гидратов аммиака дают сильное подтверждение криовулканизма. Но как может существовать криовулканизм, который есть не что иное, как подъем жидкой воды на поверхность, на объектах пояса Куйпера, где температура всего около 50 К? В этой статье мы представим вычисления внутренней термальной эволюции KBOs и покажем, что на объектах размера Харона и больше, может существовать жидкая вода, и она может выходить на поверхность.

Как предисловие можно сказать, что единственный KBO, который удалось напрямую сфотографировать, это Тритон. На снимках Вояджера 2 Тритон (предположительно, захваченный KBO) есть четкое указание на криовулканизм в его, подобном дыне поверхностном слое, с темными дольчатыми потоками и молодой эвтектики в районе 176 K. Эти модели предсказывают, что на небесных телах размера Титании и больше (т.е. радиусами более 800 км) может существовать жидкая вода. Примечательно, что на Хароне (R = 604 km) и Кваваре (R = 650 km) вода не может существовать вследствие меньшего количества тепла радиоактивного происхождения.

Мы улучшили эти модели новыми, введя зависимость от времени для внутренних температур таких KBO как Харон. Мы начинаем при t = −4.5 Gyr (прим. перев. Gyr - Гигагод, миллиард лет. В данном случае, временная шкала модели начинается 4.5 млрд. лет назад) со смешанными (камень/лед), холодными (T = 50 K) телами, с NH3/H2O ≈ 0.10, которые нагреваются изначально сильным, но монотонно уменьшающимся радиоактивным распадом. Энергия диффузирует через тело в одномерном уравнении сферической передачи тепла, с температурой T = 50K наложенного условия внешней границы и ∂T/∂r = 0 при r = 0:

(1)

где ρ - плотность материала, cP(T) и κ(T) - его температурно-зависимая теплоемкость и теплопроводность, а q - коэффициент излучения радиоактивного тепла на грамм материала. Пока материал в действительности - смесь камня и льда, мы допускаем, что камень и лед разделились в заданном положении если температура в этой точке когда-либо превысила 176 К. Это приводит к каменному ядру и мантии из жидких или замерзших аммиака и воды, а также смешанной каменно-ледяной оболочки. Скрытое тепло вследствие фазовых превращений объединяется в эффективную теплоемкость. Использовались стандартные теплоемкости для камня и водяного льда. Температуры, которые мы вычисляем в наших моделях, очень чувствительны к теплопроводностям камня, которые, к сожалению, нельзя хорошо ограничить. Мы приняли константой значение κ(T) = 1.5Wm−1 K−1 для камня, что подходит для частично сжатого L хондрита. В тех частях, где лед и камень сильно перемешаны, мы добавляем теплоемкость по линейному закону и комбинируем теплопроводности с использованием геометрического возрастания. Теплопроводности жидкого слоя устанавливаются таким образом, что поток тепла поднимается вверх путем конвекции.

Результаты наших вычислений для Харона представлены на рис. 1.

В отличие от заключений [12], мы находим, что вполне возможно существование водоема с жидкости под поверхностью Харона сегодня. К сожалению, объем такого океана, и даже само его существование, чувствительно к принятой теплопроводности, находясь в критичной зависимости от того, находится ли коэффициент κ ближе к 1.0 или к 2.0Wm−1 K−1.

Для наложенного нами значения κ = 1.5 W m−1 K−1, толщина океана из воды и аммиака (33% от NH3 по весу) около 20 километров, что соответствует массе ≈ 4 × 1022 г, немногим менее чем 10% общей массы льда на Хароне. И оказывается, что Харон находится в промежутке времени, кратном нескольким ×108-летним циклам, чтобы вся его жидкость замерзла. Но по-прежнему, на моделях стабильного состояния, наличие воды на Хароне, не предсказывается вовсе. Существуют две причины, по которым временные модели могут быть предпочтительнее для удержания воды. Первая, эти модели показывают, что в общем случае камень и лед на KBO разделяются не полностью, оставляя смешанный внешний слой. Теплопроводность этого слоя определяется в основном теплопроводностью камня, значение которой находится в диапазоне κ = 1 - 2Wm−1 K−1, но, конечно, ниже, чем теплопроводность льда (например, κ = 3.3Wm−1 K−1, предполагаемое в [12] или κ = 5.67W m−1 K−1 для льда при температуре 100 K). Такое значение поможет держать тепло, вызванное радиоактивным распадом, внутри тела. Во-вторых, некоторое количество радиоактивного тепла, созданного в первые 2 гигагода эволюции KBO, было потрачено как скрытое тепло таяния при создании жидкого океана, но затем высвобождается как скрытое тепло замерзания после того, как океан замерзает снова. Приблизительно 3 × 10^23 г жидкости (количество на Хароне в момент времени 2 гигагода) замерзает более 3 гигалет, скрытое тепло, высвобождаемое при замерзании, вносит примерно 0.2 ergcm−2 s−1 в поток тепла к поверхности. Это доля потока радиоактивного тепла настоящего времени, которую нельзя игнорировать, оценивается в размере ≈1.3 ergcm−2 s−1. Обе доли в сочетании существенно уменьшают минимальный размер KBO, на котором может быть жидкая вода от R ≈ 800 km [10] до R ≈ 600 km.

И это значит, что в этот диапазон попадают Харон и Квавар.

Если жидкая вода существует на Хароне и Кваваре, может ли она выходить на поверхность? Важным следствием таяния и замерзания льда, является то, что, когда жидкость замерзает, она должна увеличиваться в объеме примерно на 7% (даже с учетом присутствия NH3; [3]).

Расширение льда приводит к созданию механических напряжений и трещин; если трещины образуются как результат таких напряжений в основе ледяного слоя, с длинами в несколько километров, тогда эти трещины будут сами увеличиваться потому, что каменно-ледяной слой над жидкостью плотнее, чем жидкость сама по себе [15]. Эта позитивная плавучесть не существует на телах таких, как Европа, где вода/лед и камень полностью разделились, но является естественным следствием неполного таяния на KBO. Саморасширяющаяся трещина достигает поверхности в течение часа, производя гейзер из воды и аммиака, который разливается на поверхность и замерзает, переходя в кристаллическое состояние. С общим объемом жидкости, таявшей на Хароне и затем замерзшей в течение более чем 3 Gyr, ≈ 3×1023 г, объем замещенной воды эквивалентен поверхностному слою толщиной 5 км или 16 сантиметров каждые 105 лет. Это легко сопоставимо с присутствием кристаллического водяного льда.

Наши временные термические модели KBO показывают, что вполне возможно, что на Хароне и Кваваре существует жидкая вода в настоящее время, эта вода может выходить на поверхность, давая, возможно, единственное объяснение кристаллическому водяному льду и гидратам аммиака на поверхности этих тел. Если у Харона есть криовулканизм, мы ожидаем найти дольчатые потоки и некратерированные области аналогично Тритону. Получение изображений Харона напрямую аппаратом Новые Горизонты в 2015 году должно предоставить исчерпывающее подтверждение за или против криовулканизма.

Ссылки: [1] McKinnon, WB, 2002, in Proceedings of Asteroids, Comets, Meteors - ACM 2002., 29. [2] Brown, ME & WJ Calvin, 2000, Science, 287, 107. [3] Cook, JC, SJ Desch, T Roush, T Geballe & C Trujillo, 2007, ApJ in revision. [4] Jewitt, A & J Luu, 2004, Nature, 432, 731. [5] Barkume, KM, ME Brown & EL Schaller, 2006, ApJL, 640, L87. [6] Cooper, JF, ER Christain, JD Richardson, C Wang, 2003, Earth, Moon and Planets 92, 261. [7] Croft, SK, 1990, LPSC 21, 246. [8] Strom, RG, SK Croft & JM Boyce, 1990, Science 250, 437. [9] Plescia, JB, 1987, Nature, 327, 201. [10] Plescia, JB, 1988, Icarus, 73, 442. [11] Porco, CC et al., 2006, Science, 311, 1393. [12] Hussmann, H, F Sohl & T Spohn, 2006, Icarus, 185, 258. [13] Lewis, JS, 1997, in Physics and Chemistry of the Solar System, 250. [14] Yomogida, K & T Matsui, 1983, JGR, 88, 9513. [15] Crawford, GD & DJ Stevenson, 1988, Icarus, 73, 66.