Ученые поняли, почему льдинки из океана Энцелада так сильно различаются по составу

Ледяные частицы, которые спутник Сатурна Энцелад выбрасывает из своего подледного океана, оказались удивительно разными по химическому составу: в одних много хлоридов, в других — карбонатов или фосфатов. Новое исследование, опубликованное в журнале Science Advances, показало, что эти различия возникают уже после того, как вода покидает океан.

Энцелад — небольшой ледяной спутник Сатурна. Под его ледяной корой, как считается, скрывается глобальный соленый океан. Через трещины в коре наружу вырываются водяной пар и мельчайшие частицы льда, образуя шлейф. Часть этого вещества улетает в космос и пополняет разреженное кольцо Сатурна Е. Получается, что льдинки в этом кольце — фактически образцы вещества из подледного океана Энцелада.

С 2004 по 2017 год зонд «Кассини» изучал состав отдельных льдинок с помощью специального прибора — масс-спектрометра CDA. Ученые разделили частицы на несколько групп: почти чистый водяной лед, льдинки с органическими веществами и богатые солями частицы. Последние считаются замерзшими фрагментами океанской воды, и именно по ним исследователи судят о химическом составе океана.

Авторы новой работы изучили 961 соленую льдинку и обнаружили, что разные соли в них почти не смешиваются. В одних частицах преобладал хлорид натрия, в других — карбонаты или фосфаты, а в некоторых — соединения калия. Особенно редко вместе встречались хлориды и карбонаты: из 858 частиц, богатых натрием, такое сочетание нашли лишь в 12.

Объяснить такую картину существованием нескольких океанов с разным составом трудно. Ученые предположили, что соли разделяются уже после того, как океанская вода попадает в ледяные каналы. Чтобы проверить идею, в лаборатории приготовили раствор, похожий по составу на воду океана Энцелада, и замораживали капли размером 15, 200 и 1000 микрометров с разной скоростью.

При быстром замерзании соли оставались перемешанными. Но если капли охлаждались медленнее, чем примерно на 20 градусов Цельсия в минуту, соли начинали разделяться: разные соединения кристаллизовались при разных температурах и скапливались в разных частях капли. В итоге одна замерзшая капля получалась неоднородной по составу.

Но почему «Кассини» находил крошечные льдинки, если для разделения солей нужны куда более крупные капли? Возможно, сначала капли медленно замерзают в глубине ледяных трещин. Ближе к поверхности поток газа ускоряется, разгоняя их до скоростей более 100 метров в секунду.

При такой скорости замерзшие капли ударяются о стенки трещин и раскалываются на более мелкие части. Поскольку к этому моменту разные соли уже сосредоточены в разных участках льдинки, каждый фрагмент получает свой набор веществ. Так и возникают микроскопические частицы разного состава, которые затем вылетают из гейзеров Энцелада и попадают в кольцо Сатурна.

Значит, химический состав отдельной льдинки не обязательно точно повторяет состав всего океана. Редкие вещества могут оказаться сосредоточены лишь в небольшом количестве частиц, зато в высокой концентрации.

Подобным образом разделяться могут не только соли, но и органические соединения. Это важно для будущих миссий к Энцеладу: чтобы надежно определить состав его океана и оценить потенциальную обитаемость, потребуется изучить куда большее число отдельных льдинок.