Криовулкан

Криовулкан — это геологическое образование на поверхности небесного тела (планеты, спутника, астероида), извергающее вместо расплавленной горной породы (магмы) летучие вещества, находящиеся в твёрдой фазе (криомагму). Криомагма представляет собой смесь воды, аммиака, метана, углекислого газа, азота и других соединений, которые в условиях низких температур и давлений ведут себя как вязкие жидкости или газовые струи. Явление извержения криовулканов называется криовулканизмом и является одним из ключевых процессов, формирующих рельеф ледяных тел Солнечной системы.

История открытия и изучения

Первые свидетельства криовулканизма были получены в 1989 году, когда космический аппарат «Вояджер-2» (NASA) передал снимки спутника Нептуна Тритона. На изображениях были обнаружены тёмные полосы, напоминающие выбросы, и гладкие равнины, интерпретированные как результат извержений жидкого азота и метана. До этого считалось, что вулканическая активность возможна только на планетах земной группы с горячим ядром. Открытие криовулканов расширило представления о геологической активности в Солнечной системе, показав, что она возможна и на телах, удалённых от Солнца.

В 2005 году зонд «Кассини» (NASA/ESA/ASI) обнаружил криовулканическую активность на спутнике Сатурна Энцеладе. Были зафиксированы мощные струи водяного пара и ледяных частиц, вырывающиеся из трещин в южной полярной области. Эти выбросы, получившие название «тигровые полосы», стали прямым доказательством существования подповерхностного океана жидкой воды под ледяной корой Энцелада.

В 2010-х годах данные миссии «Новые горизонты» (NASA) показали признаки криовулканизма на карликовой планете Плутон. На её поверхности были обнаружены криовулканы высотой до 4 км и диаметром до 150 км, извергавшие, предположительно, водяной лёд с примесью аммиака. В 2015 году на Плутоне был идентифицирован крупнейший известный криовулкан — гора Райт (Wright Mons).

Механизм криовулканизма

Криовулканизм возникает в результате действия внутренних источников тепла, которые могут быть обусловлены несколькими причинами:

• Приливный нагрев — гравитационное воздействие массивной планеты (например, Юпитера или Сатурна) деформирует спутник, вызывая трение в его недрах и выделение тепла. Этот механизм является основным для спутников Юпитера (Европа, Ганимед) и Сатурна (Энцелад, Титан).
• Радиогенный нагрев — распад радиоактивных изотопов в ядре небесного тела (урана, тория, калия) выделяет тепло, которое может поддерживать подповерхностные резервуары в жидком состоянии. Этот процесс характерен для более крупных тел, таких как Плутон.
• Остаточное тепло аккреции — тепло, сохранившееся с момента формирования небесного тела из протопланетного облака.

Под действием тепла лёд (вода, метан, азот) в недрах тела плавится или сублимируется, образуя резервуары криомагмы. Давление в этих резервуарах растёт за счёт газов, выделяющихся при разложении гидратов (например, клатратов метана) или при фазовых переходах. Когда давление превышает прочность ледяной коры, происходит извержение — криомагма выбрасывается на поверхность через трещины или жерла.

Типы криовулканизма

Криовулканизм классифицируют по характеру извержений и составу выбросов:

• Водяной криовулканизм — извержения жидкой воды или водяного пара. Наблюдается на Энцеладе, где струи воды и ледяных частиц выбрасываются на высоту до 200 км. На Европе (спутник Юпитера) предполагаются гейзероподобные выбросы воды, зафиксированные телескопом «Хаббл» в 2012 году.
• Азотный криовулканизм — извержения жидкого азота, характерные для Тритона. Выбросы создают тёмные полосы на поверхности, покрытой азотным льдом.
• Метановый криовулканизм — извержения жидкого метана, возможные на Титане (спутник Сатурна). На Титане обнаружены криовулканы, извергающие, предположительно, смесь аммиака и метана, формирующие «криолавовые» потоки.
• Силикатно-ледяной криовулканизм — извержения смеси водяного льда и силикатных пород, характерные для Плутона. Такие извержения могут создавать ледяные купола и равнины.

Примеры криовулканов в Солнечной системе

Энцелад (спутник Сатурна)

Энцелад — одно из наиболее активных криовулканических тел. В южной полярной области расположены четыре параллельных разлома («тигровые полосы»), из которых непрерывно выбрасываются струи водяного пара и ледяных частиц. Эти выбросы формируют разреженную атмосферу спутника и, по данным зонда «Кассини», являются источником материала для кольца E Сатурна. Температура в районе разломов достигает −93 °C, что значительно выше средней температуры поверхности (−198 °C), что указывает на наличие жидкой воды на глубине.

Тритон (спутник Нептуна)

Тритон демонстрирует следы криовулканизма в виде тёмных полос, простирающихся на десятки километров. Извержения, вероятно, происходят из-за сезонного нагрева поверхности Солнцем, вызывающего сублимацию азотного льда. В 1989 году «Вояджер-2» зафиксировал активные гейзеры, выбрасывающие азот на высоту до 8 км.

Плутон

На Плутоне, по данным миссии «Новые горизонты», обнаружены два крупных криовулкана — гора Райт и гора Пиккар (Piccard Mons). Гора Райт имеет высоту около 4 км и диаметр 150 км, что делает её одним из крупнейших вулканов во внешней Солнечной системе. Извержения на Плутоне, вероятно, происходили в геологически недавнем прошлом (менее 100 млн лет назад) и были связаны с выбросами водяного льда, аммиака и метана.

Европа (спутник Юпитера)

На Европе криовулканизм проявляется в виде гейзеров, которые были зафиксированы телескопом «Хаббл» в 2012 году. Струи воды поднимались на высоту до 200 км над поверхностью. Предполагается, что извержения связаны с подповерхностным океаном, скрытым под ледяной корой толщиной 10–30 км.

Титан (спутник Сатурна)

На Титане криовулканизм, вероятно, является источником метана в атмосфере. В 2010 году зонд «Кассини» обнаружил криовулкан Sotra Patera, который, по оценкам, извергал смесь аммиака и метана, формируя потоки «криолавы» длиной до 50 км.

Значение для астробиологии

Криовулканы представляют большой интерес для астробиологии, так как их извержения могут выносить на поверхность вещества из подповерхностных океанов, которые потенциально пригодны для жизни. На Энцеладе и Европе, где под ледяной корой существуют жидкие океаны, криовулканизм обеспечивает обмен между недрами и поверхностью. В выбросах Энцелада, проанализированных зондом «Кассини», были обнаружены органические молекулы (в том числе метан, ацетилен, пропан) и соединения углерода, что указывает на наличие химических предшественников жизни. В 2018 году было объявлено об обнаружении в струях Энцелада крупных органических молекул, содержащих азот и кислород.

Криовулканизм на Земле

На Земле криовулканизм в чистом виде не наблюдается, однако существуют аналогичные процессы. Например, грязевые вулканы, извергающие воду, глину и газы, могут рассматриваться как земные аналоги криовулканизма. В районах вечной мерзлоты (Сибирь, Аляска) происходят выбросы метана и воды, образующие кратеры — так называемые «газовые вулканы». В 2014 году на полуострове Ямал (Россия) был обнаружен кратер диаметром 30 м, образовавшийся в результате выброса метана из-под вечной мерзлоты. Это явление иногда называют «криовулканизмом на Земле», хотя его механизм отличается от космического: он связан с таянием льда и разложением газогидратов, а не с внутренним теплом недр.

Критика и нерешённые вопросы

Несмотря на многочисленные наблюдения, криовулканизм остаётся предметом научных дискуссий. Основные вопросы:

• Механизм извержений — не до конца ясно, как именно криомагма преодолевает прочность ледяной коры. Некоторые модели предполагают, что извержения происходят не за счёт давления, а за счёт сублимации льда под поверхностью.
• Состав криомагмы — точный химический состав выбросов известен только для Энцелада (по данным «Кассини»). Для других тел (Тритон, Плутон) данные основаны на спектроскопии и моделях.
• Активность — неясно, являются ли криовулканы постоянно активными или извергаются эпизодически. На Плутоне, например, активность, вероятно, была прекращена миллионы лет назад.

Источники

• Porco, C. C. et al. (2006). «Cassini Observes the Active South Pole of Enceladus». Science, 311(5766), 1393–1401.
• Spencer, J. R. et al. (2009). «Enceladus: An Active Cryovolcanic Satellite». In: Saturn from Cassini-Huygens. Springer, Dordrecht.
• Stern, S. A. et al. (2015). «The Pluto system: Initial results from its exploration by New Horizons». Science, 350(6258), aad1815.
• Smith, B. A. et al. (1989). «Voyager 2 at Neptune: Imaging Science Results». Science, 246(4936), 1422–1449.
• Roth, L. et al. (2014). «Transient Water Vapor at Europa’s South Pole». Science, 343(6167), 171–174.
• Lopes, R. M. C. et al. (2013). «Cryovolcanism on Titan: New results from Cassini RADAR and VIMS». Journal of Geophysical Research: Planets, 118(3), 416–435.
• Kargel, J. S. (1995). «Cryovolcanism on the icy satellites». Earth, Moon, and Planets, 67(1–3), 101–113.
• Bogoyavlensky, V. I. et al. (2017). «Gas blowouts on the Yamal Peninsula: A new type of cryovolcanism?». Doklady Earth Sciences, 476(1), 1056–1060.