Учёные воссоздали «ледяные вулканы» спутников Юпитера и Сатурна в лаборатории

Камера Large Dirty Mars Chamber в Открытом университете. Автор: Петр Брож

Учёные смогли воспроизвести экстремальные условия, существующие на ледяных спутниках в глубоком космосе, и раскрыли необычное поведение воды в таких условиях.

В условиях почти нулевого давления космоса вода ведёт себя совершенно иначе, чем на Земле. Она одновременно кипит и замерзает.

Ледяные спутники покрыты ледяной коркой, под которой скрываются жидкие океаны. Подобно тому, как лава через вулканическую активность меняет поверхность Земли, вода трансформирует ледяные спутники через процесс, называемый криовулканизмом.

Чтобы понять, как изменённое поведение воды может влиять на геологические процессы на ледяных спутниках, исследователи из Университета Шеффилда, Открытого университета и Чешской академии наук использовали специальную низкотемпературную камеру для создания условий, близких к вакууму, как на Европе и Энцеладе.

Европа — это ледяной спутник Юпитера. Энцелад вращается вокруг Сатурна.

Оба спутника имеют ледяную поверхность. На экваторе Энцелада температура достигает -193°C. Астрономы наблюдали свидетельства гигантских выбросов водяного пара и частиц воды, извергаемых в космос вулканообразным процессом, известным как взрывной криовулканизм.

Существует также родственный процесс — эффузивный криовулканизм, при котором жидкость вытекает на поверхность ледяных спутников, подобно лавовым потокам на Земле, хотя обнаружить такие явления значительно сложнее.

Исследовательская группа хотела выяснить, как происходит эффузивный криовулканизм, изучая поведение воды в условиях, близких к вакууму. Результаты исследования опубликованы в журнале Earth and Planetary Science Letters.

Учёные использовали низкотемпературную камеру «Джордж» (Large Dirty Mars Chamber) в Открытом университете. Впервые исследователи смогли провести эксперименты с относительно большими объёмами воды и заснять происходящее через смотровые окна.

По мере снижения давления в камере вода начала пузыриться и кипеть, несмотря на низкую температуру. Кипение создавало пар, который уносил тепло, и вода охлаждалась, достигая точки замерзания — так образовывались плавающие куски льда. Они продолжали расти, а вокруг их краёв формировался новый лёд.

В течение нескольких минут большая часть воды покрывалась тонким слоем льда.

Под ледяной коркой жидкая вода продолжала кипеть, а пузырьки прорывались через лёд или деформировали его, позволяя воде просачиваться через трещины на поверхность. Предыдущие исследования с меньшими объёмами воды предполагали, что образуется толстый лёд, который быстро запечатывает воду, предотвращая дальнейшее кипение.

«Ледяной слой, который образуется, слабый и полон отверстий и пузырей. Если бы лёд был прочнее, он, скорее всего, запечатал бы жидкую воду внизу и остановил дальнейшее кипение. Но наши эксперименты показывают, что по мере кипения воды выделяющийся газ задерживается под ледяной коркой. Давление нарастает, лёд трескается, газ вырывается, и жидкая вода может ненадолго просочиться через трещины на поверхность льда — только чтобы снова оказаться в условиях низкого давления», — объясняет доктор Фрэнсис Батчер, научный сотрудник Школы географии и планирования Университета Шеффилда и один из авторов исследования.

На Земле вода подчиняется известным физическим законам: она замерзает при температуре ниже 0°C и кипит выше 100°C.

«Мы обнаружили, что процесс замерзания воды при очень низком давлении гораздо сложнее, чем считалось ранее. В таких условиях вода быстро кипит даже при низких температурах, так как она нестабильна при низком давлении. Одновременно она испаряется и начинает замерзать из-за интенсивного охлаждения, вызванного самим испарением. Ледяная корка, которая образуется, постоянно разрушается пузырьками пара, которые поднимают и раскалывают лёд, значительно замедляя, усложняя и продлевая процесс замерзания», — говорит доктор Петр Брож из Института геофизики Чешской академии наук, ведущий автор исследования.

Учёные надеются, что их работа поможет обнаружить древние следы криовулканической активности не только на ледяных спутниках, но и на других небесных телах Солнечной системы.

Процесс, который наблюдали исследователи — подъём пузырьков и деформация ледяного покрова — приводил к образованию неровной ледяной корки с буграми и впадинами.

«Эти топографические аномалии, вызванные захваченным паром подо льдом, могут оставлять отчётливые следы, которые могут быть обнаружены орбитальными аппаратами, например, оснащёнными радарами. Это открывает новый способ идентификации древней криовулканической активности», — отмечает профессор планетологии Открытого университета Маниш Патель, курирующий марсианский симулятор.

Дополнительная информация: Petr Brož et al, The complexity of water freezing under reduced atmospheric pressure, Earth and Planetary Science Letters (2025). DOI: 10.1016/j.epsl.2025.119531

Источник: University of Sheffield