Tým výzkumníků z Matematicko-fyzikální fakulty UK, Přírodovědecké fakulty UK a z CNRS/Nantes University představil nový model, který vrhá světlo na dynamiku gejzírů Saturnova měsíce Enceladu. Studii s novými poznatky zveřejnil na konci srpna časopis Nature Communications.
Ledový měsíc Enceladus, donedávna jen jeden z mnoha Saturnových měsíců obíhající planetu v oblasti hlavních prstenců, přitahuje v poslední dekádě nemalou pozornost. Vděčí za ni gejzírům vodní páry a ledových krystalků objevených sondou Cassini. Gejzíry vycházejí ze systému tektonických zlomů poblíž jižního pólu a fascinují odborníky mimo jiné tím, že do prostoru neustále vyvrhují vzorky vody z oceánu ukrytého hluboko pod ledovou slupkou měsíce.
Numerická simulace slapové deformace vnější ledové slupky Enceladu v průběhu jeho oběhu kolem Saturnu (zvýrazněno 1000x). Pohled směřuje k jižnímu pólu a ukazuje hlavní zlomy přezdívané “tygří pruhy”.
Aktivita gejzírů (viditelná jako intenzita světla odráženého ledovými částicemi) se periodicky mění způsobem, který odpovídá slapovým silám buzeným gravitací Saturnu. Ty deformují jeho ledovou slupku, kolem jižního pólu ztenčenou a rozpukanou mohutnými zlomy. Jenže snaha vysvětlit pozorovanou aktivitu pouze pomocí slapové deformace se překvapivě míjela účinkem.
„Tyto modely určovaly otevírání zlomů, a tedy i období zvýšené aktivity, na základě slapových napětí a posunutí působících kolmo ke zlomu. Vedly však k předpovědi výskytu jediného maxima aktivity, zatímco pozorování ukazují na přítomnost dvou období zvýšené aktivity. Navíc časování hlavního maxima bylo opožděné o pět hodin oproti teoretické předpovědi,” upřesňuje doc. Marie Běhounková z Katedry geofyziky MFF UK.
K úspěšnému vysvětlení dynamiky gejzírů bylo nakonec potřeba propojit několik dílčích modelů na různých úrovních. Nová studie publikovaná v časopise Nature Communications pracuje s globálním třírozměrným modelem slapové deformace ledové slupky Enceladu, který předpovídá časové změny posunutí a napětí na čtyřech hlavních zlomech. Spočtené údaje propojuje s redukovaným lokálním modelem gejzírů, který zahrnuje vertikální pohyby vodní hladiny, tvorbu a transport páry a ledových krystalků a jejich únik do vnějšího prostoru.
Schéma souhrnného modelu časového průběhu aktivity, který kombinuje globální a dílčí lokální komponenty. Třírozměrný globální model (panel a) určuje slapovou deformaci na jižním pólu ztenčené a rozpukané ledové slupky. Lokální jednorozměrný model (panel b) zahrnuje vertikální pohyb kapalné vody podpovrchového oceánu (I, bílá), transport páry a ledových částic nad jeho hladinou (II, modrá) a nakonec jejich prostup svrchní vrstvou ledu (III, hnědá). Ten je složen ze dvou mechanismů: tryskového proudění průduchy řízeného vzájemným tečným pohybem ledových stěn (panel c) a více rozptýleného (difuzního) toku vodní páry kontrolovaného normálovým napětím (panel d).
Na základě kombinace těchto modelů vědci odhalili dva nezávislé mechanismy prostupu svrchní vrstvou ledu − tryskové proudění průduchy a difúzní tok menšími puklinami. „První mechanismus souvisí s tvorbou mezer mezi posouvajícími se ledovými bloky v důsledku geometrických nerovností a tečných pohybů na zlomech. Druhý mechanismus si naopak představujeme jako prostup vodních par přes porézní materiál v okolí zlomů. Prostupnost takového materiálu je řízena hlavně mechanickým napětím,” vysvětluje doc. Ondřej Souček z Matematického ústavu UK.
Kromě toho, že nový model vysvětluje proměnlivou aktivitu gejzírů na Enceladu, měl by v budoucnu také pomoci lépe plánovat další mise, které budou vyvržený materiál podrobně analyzovat. Klíčový předpoklad o existenci dvojího mechanismu průniku materiálu k povrchu přitom naznačuje, že původ a složení vyvržených částic ledu se bude v čase lišit, a umožňuje toto složení predikovat.
„Třešničkou na dortu je možnost hydraulického zesílení: v určité části cyklu se může stát, že se ledové stěny navzájem těsně přiblíží a vytlačí na některých místech hladinu oceánu mnohem výš než obvykle. Model tak předpovídá i načasování možného třetího maxima aktivity, které dosavadní pozorovaní pouze naznačují,” nastiňuje dr. Martin Lanzendörfer z Ústavu hydrogeologie, inženýrské geologie a užité geofyziky PřF UK.
Studie tak vedle odpovědí přináší i další otázky, na které se teď vědci mohou zaměřit. Očekávají přitom, že důležité podklady pro další výzkumy jim přinese mimo jiné před pár lety zprovozněný Vesmírný dalekohled Jamese Webba.
Aktivita gejzírů Enceladu během jeho oběhu předpovězená modelem (černá souvislá), v porovnání s pozorováními sondou Cassini (šedé tečky). Modelovaný průběh je součtem příspěvků dvou uvažovaných mechanismů: Prostupu řízeného tečným posunutím (červená čárkovaná) a prostupu řízeného normálovým napětím (žlutá čerchovaná). První z nich vysvětluje dva hlavní vrcholy kolem 40°-50° MA a 200° MA, zatímco druhý vysvětluje pozvolný nárůst aktivity kolem 80°-140° MA i její nárůst za hodnotou 300° MA (MA značí střední anomálii, kde MA=0° odpovídá pericentru).
Studii publikoval časopis Nature Communications v článku Variations in plume activity reveal the dynamics of water-filled faults on Enceladus autorů O. Souček, M. Běhounková, M. Lanzendörfer, G. Tobie, G. Choblet.