Механика на гравитационното смазване и термичният капацитет на кората
Когато прекараш три десетилетия в прелистване на телеметрични разпечатки и архивни доклади от лабораториите за реактивно движение, започваш да развиваш особен имунизъм към медийните сензации. Обикновено заглавията обещават епохални открития, а зад тях се крие поредната грешка в калибрацията на някой сензор или прекалено оптимистично финансиран лабораторен доклад. Но цифрите, които апаратът Juno предаде при последната си серия от близки маневри около Юпитеровия спътник Йо, не оставят много място за методологически скептицизъм. Данните от италианския инфрачервен картограф JIRAM (Jovian InfraRed Auroral Mapper) регистрираха топлинна аномалия, чиито размери – 104 000 квадратни километра – представляват структура, съпоставима с територията на цяла средностатистическа европейска държава, превърната в непрекъснато дишащо лавово поле.
За тези, които са свикнали да разглеждат вулканизма през призмата на земните процеси като тези на Хаваите или Исландия, Йо винаги е бил геофизичен аномален обект. Тук обаче не става дума за радиоактивен raspad на изотопи в ядрото, нито за остатъчна топлина от акреционния период на Слънчевата система преди 4.5 милиарда години. Двигателят на този процес е брутално механичен. Йо е заклещен в орбитален резонанс на Лаплас със съседните спътници Европа и Ганимед (съотношение 4:2:1 на орбитните периоди). Това кара орбитата му да бъде ексцентрична, а гравитационният кладенец на Юпитер – планета с маса 318 пъти по-голяма от земната – упражнява променливи приливни сили. Приливната вълна в твърдата кора на Йо достигат амплитуда от над 100 метра. Вътрешността на спътника се огъва, трие и деформира с ритъма на часовников механизъм, генерирайки вътрешна топлина чрез фрикционно разсейване на енергията.
Резултатът от това гравитационно месене е повърхност, която се пренаписва на всеки няколко хиляди години. Регистрираната мощност от 80 трилиона вата (8х10^13 W) в новата аномалия не е просто суха физическа величина. За сравнение, пълната инсталирана мощност на всички земни електроцентрали от всички видове горива и източници е около 8 трилиона вата. Една единствена точка на този студен, облъчван от убиваща радиация спътник, изхвърля в космическото пространство десет пъти повече термична енергия, отколкото цялата ни промишленост произвежда. Това поставя дълбоки пробойни в досегашните опростени модели, които приемаха, че топлообменът на Йо се осъществява главно през стабилни, изолирани канали като патерите – вулканични депресии от типа на Локи Патера.
Дълбочинният магмен резервоар и илузията за стабилна кора
Големият въпрос, който изследователите от мисията Juno се опитват да избегнат в публичните си анонси, но който ясно личи в суровите спектрални данни, е свързан с физическото състояние на астеносферата на Йо. Според класическия модел, разработен още след прелитанията на Voyager и Galileo, под силикатната кора на спътника съществува или частично разтопен слой (magma ocean) с дебелина от няколко десетки километра, или силно локализирани магмени камери. Новите данни за радиалното разпределение на термичното излъчване покачват вероятността за първата хипотеза. Ако на една зона от 104 000 кв. км може да се поддържа непрекъснат поток от течен базалт и ултраосновна magma с температура над 1300 градуса по Целзий, локалните камери просто нямат необходимия обем за захранване без колапс на надлежащата кора.
Физическият проблем тук е в логистиката на масата. За да се поддържа излъчване от 80 трилиона вата, през повърхността трябва да преминават милиони тонове разтопена скала на секунда. Това изисква глобална хидравлична система във вътрешността на луната. Данните от инфрачервения диапазон на JIRAM (в спектралния прозорец между 2.0 и 5.0 микрона) показва, че повърхността не е просто покрита с охлаждаща се лава, а се състои от мрежа от пукнатини, през които директно се открива течна магма. Това навежда на мисълта, че твърдата кора на Йо може да е много по-тънка, отколкото показват теоретичните изчисления за якост на материалите – вероятно под 20 километра в района на екватора.
Това изглежда логично от гледна точка на термодинамиката, но създава друг, изключително труден за решаване проблем. При толкова тънка кора и такъв огромен вътрешен натиск, спътникът би трябвало бързо да изгуби орбиталния си момент и да претърпи силна термична релаксация. Числата и анализите на орбиталната смущения обаче показва, че системата е в динамично равновесие от стотици милиони години. Налице е интелектуална мъгла относно това как точно скалната структура издържа на тези непрекъснати хидравлични и гравитационни удари, без да се разпадне на отделни фрагменти в радиационния пояс на Юпитер.
