เครดิตรูปภาพ: NASA
หลักฐานยืนยันว่ายูโรปาซึ่งเป็นหนึ่งในดวงจันทร์ของจูปิเตอร์มีมหาสมุทรที่ปกคลุมด้วยแผ่นน้ำแข็ง ขณะนี้นักวิทยาศาสตร์คาดการณ์เกี่ยวกับความหนาของน้ำแข็งโดยการวัดขนาดและความลึกของหลุมอุกกาบาต 65 จุดบนพื้นผิวดวงจันทร์ - จากที่พวกเขาสามารถบอกได้ว่ามันคือ 19 กม. ความหนาของน้ำแข็งของยูโรปาจะส่งผลกระทบต่อความเป็นไปได้ในการค้นหาสิ่งมีชีวิตที่นั่นหนาเกินไปและแสงแดดจะมีปัญหาในการเข้าถึงสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์แสง
การทำแผนที่อย่างละเอียดและการตรวจวัดหลุมอุกกาบาตบนดาวเทียมน้ำแข็งขนาดใหญ่ของดาวพฤหัสรายงานเมื่อวันที่ 23 พฤษภาคม 2545 วารสาร Nature เปิดเผยว่าเปลือกน้ำแข็งของยูโรปาอาจหนาอย่างน้อย 19 กิโลเมตร การวัดเหล่านี้โดยนักวิทยาศาสตร์ของพนักงานและนักธรณีวิทยาดร. พอล Schenk ที่สถาบันจันทรคติและดาวเคราะห์ของฮูสตันระบุว่านักวิทยาศาสตร์และวิศวกรจะต้องพัฒนาวิธีการใหม่และชาญฉลาดในการค้นหาชีวิตบนโลกน้ำแข็งด้วยการตกแต่งภายในที่อบอุ่น
The Great Europa Pizza Debate:“ เปลือกบางหรือเปลือกหนา”
หลักฐานทางธรณีวิทยาและธรณีฟิสิกส์จากกาลิเลโอสนับสนุนความคิดที่ว่ามีมหาสมุทรของเหลวอยู่ใต้พื้นผิวน้ำแข็งของยูโรปา การอภิปรายในตอนนี้มุ่งเน้นไปที่ความหนาของเปลือกน้ำแข็งนี้ มหาสมุทรสามารถละลายผ่านเปลือกน้ำแข็งบาง ๆ เพียงไม่กี่กิโลเมตรที่มีน้ำหนาและสิ่งที่ว่ายอยู่ในนั้นจะถูกแสงแดด (และรังสี) เปลือกน้ำแข็งบาง ๆ สามารถละลายผ่านเผยให้เห็นมหาสมุทรสู่ผิวน้ำและช่วยให้เข้าถึงสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์แสงกับแสงแดด เปลือกน้ำแข็งหนาหลายสิบกิโลเมตรหนามากคงไม่น่าจะละลาย
เหตุใดความหนาของเปลือกน้ำแข็งของ Europa จึงมีความสำคัญ
ความหนาเป็นตัวชี้วัดทางอ้อมว่าการให้ความร้อนจากกระแสน้ำที่ Europa ได้รับนั้น การให้ความร้อนจากน้ำขึ้นน้ำลงเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการประเมินปริมาณน้ำของเหลวบนยูโรปาและว่ามีภูเขาไฟบนพื้นทะเลของยูโรปาหรือไม่ ไม่สามารถวัดได้ การประเมินความหนา 19 กม. ใหม่นั้นสอดคล้องกับบางรุ่นสำหรับความร้อนจากน้ำขึ้นน้ำลง แต่จำเป็นต้องมีการศึกษาเพิ่มเติมอีกมาก
ความหนามีความสำคัญเนื่องจากสามารถควบคุมได้ว่าวัสดุชีวภาพที่มีความสำคัญทางชีวภาพในมหาสมุทรของยูโรปาสามารถเคลื่อนที่ไปที่ผิวน้ำหรือกลับลงสู่มหาสมุทรได้อย่างไร แสงแดดไม่สามารถเจาะเข้าไปในเปลือกน้ำแข็งได้มากกว่าสองสามเมตรดังนั้นสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์แสงจึงจำเป็นต้องเข้าถึงพื้นผิวของยูโรปาเพื่อความอยู่รอด เพิ่มเติมเกี่ยวกับเรื่องนี้ในภายหลัง
ความหนาจะเป็นตัวกำหนดวิธีที่เราสามารถสำรวจมหาสมุทรของยูโรปาและค้นหาหลักฐานของสิ่งมีชีวิตหรือเคมีอินทรีย์ในยูโรปา เราไม่สามารถเจาะหรือสุ่มตัวอย่างมหาสมุทรโดยตรงผ่านเปลือกหนาเช่นนี้และต้องพัฒนาวิธีที่ชาญฉลาดในการค้นหาวัสดุมหาสมุทรที่อาจถูกเปิดเผยบนพื้นผิว
เราจะประเมินความหนาของเปลือกน้ำแข็งของยูโรปาได้อย่างไร
การศึกษาหลุมอุกกาบาตบนดาวเทียมกาลิเลโอน้ำแข็งขนาดใหญ่ของยูโรปานี้มีพื้นฐานมาจากการเปรียบเทียบลักษณะภูมิประเทศและสัณฐานวิทยาของหลุมอุกกาบาตบนยูโรปาเมื่อเปรียบเทียบกับหลุมอุกกาบาต Ganymede และ Callisto ดร. Schenk มีหลุมอุกกาบาตกว่า 240 หลุมซึ่ง 65 ในยุโรปถูกวัดโดยใช้การวิเคราะห์สเตอริโอและภูมิประเทศของภาพที่ได้จากยานอวกาศ Voyager และ Galileo ของนาซ่า กาลิเลโอกำลังโคจรรอบดาวพฤหัสบดีและมุ่งหน้าไปยังจุดสุดท้ายในดาวพฤหัสบดีในปลายปี 2546 แม้ว่าทั้งแกนีมีดและคาลลิสโตเชื่อว่าจะมีมหาสมุทรน้ำอยู่ภายในพวกมันก็ค่อนข้างลึก (ประมาณ 100-200 กิโลเมตร) ซึ่งหมายความว่าหลุมอุกกาบาตส่วนใหญ่จะไม่ได้รับผลกระทบจากมหาสมุทรและสามารถใช้สำหรับการเปรียบเทียบกับยูโรปาซึ่งความลึกของมหาสมุทรไม่แน่นอน แต่น่าจะตื้นกว่ามาก
การประมาณความหนาของเปลือกน้ำแข็งของยูโรปานั้นขึ้นอยู่กับการสังเกตสองประการ อย่างแรกคือรูปทรงของหลุมอุกกาบาตขนาดใหญ่ของ Europa นั้นแตกต่างอย่างมากจากหลุมอุกกาบาตขนาดใกล้เคียงกันบน Ganymede และ Callisto การตรวจวัดของดร. Schenk แสดงให้เห็นว่าหลุมอุกกาบาตที่มีขนาดใหญ่กว่า 8 กิโลเมตรนั้นแตกต่างอย่างมากจากพื้นดินบน Ganymede หรือ Callisto นี่เป็นเพราะความอบอุ่นของเปลือกน้ำแข็งด้านล่าง ความแข็งแรงของน้ำแข็งนั้นไวต่ออุณหภูมิมากและน้ำแข็งอุ่นนั้นนิ่มและไหลค่อนข้างเร็ว (คิดว่าธารน้ำแข็ง)
ข้อสังเกตที่สองคือสัณฐานวิทยาและรูปร่างของหลุมอุกกาบาตในยูโรปาเปลี่ยนไปอย่างมากเนื่องจากขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางปล่องภูเขาไฟมีขนาดเกินกว่า 30 กิโลเมตร หลุมอุกกาบาตที่มีขนาดเล็กกว่า 30 กิโลเมตรนั้นลึกหลายร้อยเมตรและมีขอบที่เป็นที่รู้จักและยกระดับสูง (ซึ่งเป็นคุณสมบัติมาตรฐานของหลุมอุกกาบาต) Pwyll เป็นปล่องภูเขาไฟที่ยาว 27 กิโลเมตรเป็นหลุมอุกกาบาตที่ใหญ่ที่สุดแห่งหนึ่ง
หลุมอุกกาบาตในยูโรปาที่มีขนาดใหญ่กว่า 30 กิโลเมตรไม่มีขอบหรือยกสูงและมีการแสดงออกทางภูมิประเทศเล็กน้อย ค่อนข้างจะถูกล้อมรอบด้วยชุดของรางและศูนย์กลางสันเขา การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ในลักษณะทางสัณฐานวิทยาและภูมิประเทศแสดงให้เห็นการเปลี่ยนแปลงพื้นฐานในคุณสมบัติของเปลือกน้ำแข็งของยูโรปา การเปลี่ยนแปลงเชิงตรรกะส่วนใหญ่มาจากของแข็งเป็นของเหลว แหวนศูนย์กลางในหลุมอุกกาบาตยุโรปขนาดใหญ่อาจเกิดจากการยุบตัวของพื้นปล่องภูเขาไฟขายส่ง ในขณะที่หลุมอุกกาบาตที่ลึกลงไป แต่เดิมยุบตัววัสดุที่เป็นชั้นเปลือกโลกน้ำแข็งก็รีบเร่งเติมลงในช่องว่าง วัสดุที่ไหลเข้านี้จะลากบนเปลือกโลกที่อยู่สูงเกินไปทำให้มันแตกและสร้างวงแหวนศูนย์กลางที่สังเกตได้
ค่า 19 ถึง 25 กม. มาจากไหน
หลุมอุกกาบาตที่มีขนาดใหญ่กว่าจะแทรกซึมลึกเข้าไปในเปลือกโลกและมีความไวต่อคุณสมบัติที่ระดับความลึกเหล่านั้น ยูโรปาไม่มีข้อยกเว้น ที่สำคัญคือการเปลี่ยนแปลงที่รุนแรงในรูปร่างและรูปร่างที่ ~ 30 กิโลเมตรเส้นผ่าศูนย์กลางปล่องภูเขาไฟ ในการใช้สิ่งนี้เราต้องประเมินว่าปล่องภูเขาไฟดั้งเดิมมีขนาดใหญ่เพียงใดและต้องมีชั้นของเหลวตื้นเท่าไรก่อนที่มันจะมีผลต่อรูปร่างสุดท้ายของปล่องภูเขาไฟกระทบ สิ่งนี้ได้มาจากการคำนวณเชิงตัวเลขและการทดลองในห้องปฏิบัติการเกี่ยวกับกลไกการกระแทก แบบจำลองการยุบตัวของปล่องภูเขาไฟ? จากนั้นจะใช้ในการแปลงเส้นผ่านศูนย์กลางการเปลี่ยนผ่านที่สังเกตไปเป็นความหนาสำหรับชั้น ดังนั้นหลุมอุกกาบาตที่มีความกว้าง 30 กิโลเมตรจะตรวจจับหรือตรวจจับชั้นที่ลึก 19-25 กิโลเมตร
การประมาณความหนาของเปลือกน้ำแข็งของยูโรปาเป็นอย่างไรบ้าง
มีความไม่แน่นอนในความหนาที่แน่นอนโดยใช้เทคนิคเหล่านี้ นี่เป็นสาเหตุส่วนใหญ่มาจากความไม่แน่นอนในรายละเอียดของกลไกการไถกระแทกซึ่งยากที่จะทำซ้ำในห้องปฏิบัติการ อย่างไรก็ตามความไม่แน่นอนอาจอยู่ระหว่าง 10 ถึง 20% ดังนั้นเราจึงมั่นใจได้ว่าเปลือกน้ำแข็งของ Europa ไม่หนาไม่กี่กิโลเมตร
ในอดีตเคยเป็นเปลือกน้ำแข็งที่บางกว่าเดิมหรือไม่?
มีหลักฐานในภูมิประเทศของปล่องภูเขาไฟที่ความหนาของน้ำแข็งบนแกนีมีดมีการเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลาและสิ่งเดียวกันอาจเป็นจริงสำหรับยูโรปา การประมาณความหนาของเปลือกน้ำแข็งประมาณ 19-25 กิโลเมตรนั้นสัมพันธ์กับพื้นผิวน้ำแข็งที่เราเห็นในยูโรปา พื้นผิวนี้มีการประเมินว่าประมาณ 30 ถึง 50 ล้านปีหรือมากกว่านั้น วัสดุพื้นผิวส่วนใหญ่ที่มีอายุมากกว่านี้ถูกทำลายโดยการแปรสัณฐานและการเปลี่ยนพื้นผิว เปลือกน้ำแข็งที่มีอายุมากกว่านี้อาจมีความบางกว่าเปลือกโลกในปัจจุบัน แต่ปัจจุบันเราไม่มีทางรู้
ตอนนี้เปลือกน้ำแข็งบนยูโรปามีจุดเล็ก ๆ ไหม?
หลุมอุกกาบาตที่ Dr. Schenk ศึกษาได้กระจัดกระจายไปทั่วพื้นผิวของ Europa นี่แสดงให้เห็นว่าเปลือกน้ำแข็งนั้นหนาทุกที่ อาจมีพื้นที่ท้องถิ่นที่เปลือกบางเนื่องจากการไหลของความร้อนที่สูงขึ้น แต่น้ำแข็งที่ฐานของเปลือกหอยนั้นอบอุ่นมากและอย่างที่เราเห็นในธารน้ำแข็งบนโลกน้ำแข็งอุ่นนั้นไหลอย่างรวดเร็ว เป็นผลใด ๆ หลุม? ในน้ำแข็งของยูโรปาจะเต็มไปด้วยน้ำแข็งที่ไหลอย่างรวดเร็ว
เปลือกน้ำแข็งหนาหมายความว่าไม่มีสิ่งมีชีวิตในยูโรปาหรือไม่?
No! เมื่อเรารู้น้อยเกี่ยวกับต้นกำเนิดของชีวิตและเงื่อนไขในยูโรปาชีวิตก็ยังคงมีเหตุผล การปรากฏตัวของน้ำใต้น้ำแข็งน่าจะเป็นหนึ่งในส่วนผสมที่สำคัญ เปลือกน้ำแข็งหนาทำให้การสังเคราะห์ด้วยแสงไม่น่าเป็นไปได้สูงในยูโรปา สิ่งมีชีวิตจะไม่สามารถเข้าถึงพื้นผิวได้อย่างรวดเร็วหรือง่ายดาย หากสิ่งมีชีวิตใน Europa สามารถอยู่รอดได้โดยปราศจากแสงแดดความหนาของเปลือกหอยก็มีความสำคัญรอง ท้ายที่สุดแล้วสิ่งมีชีวิตทำได้ค่อนข้างดีที่ด้านล่างของมหาสมุทรโลกค่อนข้างดีโดยไม่มีแสงแดดอยู่รอดจากพลังงานเคมี สิ่งนี้อาจเป็นจริงใน Europa ถ้าเป็นไปได้สำหรับสิ่งมีชีวิตที่มีต้นกำเนิดในสภาพแวดล้อมนี้ในตอนแรก
จากนั้นเปลือกน้ำแข็งของ Europa ก็อาจจะบางลงในอดีตอันไกลโพ้นหรือบางทีมันอาจจะไม่มีอยู่จริง ณ จุดใดจุดหนึ่งและมหาสมุทรก็เปิดโล่งสู่อวกาศ หากสิ่งนั้นเป็นจริงสิ่งมีชีวิตหลากหลายชนิดสามารถวิวัฒนาการขึ้นอยู่กับเคมีและเวลา หากมหาสมุทรเริ่มแข็งตัวลงสิ่งมีชีวิตที่รอดชีวิตสามารถวิวัฒนาการไปสู่สภาพแวดล้อมใดก็ตามที่ทำให้พวกมันมีชีวิตรอดเช่นภูเขาไฟบนพื้นมหาสมุทร (ถ้าภูเขาไฟก่อตัวเลย)
เราจะสำรวจชีวิตบนยูโรปาได้ไหมถ้าเปลือกน้ำแข็งหนา?
ถ้าเปลือกโลกนี้หนาจริง ๆ แล้วการเจาะหรือการละลายน้ำแข็งด้วยหุ่นยนต์ที่ผูกติดอยู่จะทำไม่ได้! อย่างไรก็ตามเราสามารถค้นหาเคมีมหาสมุทรอินทรีย์หรือชีวิตในสถานที่อื่น ๆ ความท้าทายสำหรับเราคือการกำหนดกลยุทธ์ที่ชาญฉลาดสำหรับการสำรวจยูโรปาที่ไม่ปนเปื้อนสิ่งที่มี แต่ก็พบว่ามันยังคง ความคาดหมายของเปลือกน้ำแข็งหนา จำกัด จำนวนสถานที่ที่อาจเป็นไปได้ที่เราอาจพบวัตถุทางทะเล ส่วนใหญ่แล้ววัสดุทางทะเลจะต้องถูกฝังเป็นฟองเล็ก ๆ หรือกระเป๋าหรือเป็นชั้นภายในน้ำแข็งที่ถูกนำขึ้นสู่ผิวน้ำด้วยวิธีทางธรณีวิทยาอื่น ๆ กระบวนการทางธรณีวิทยาทั้งสามสามารถทำได้:
1. ผลกระทบหลุมอุกกาบาตขุดวัสดุเปลือกโลกจากความลึกและผลักมันออกมาบนพื้นผิวที่เราอาจหยิบมันขึ้นมา (50 ปีที่แล้วเราสามารถรับเศษอุกกาบาตเหล็กบนปีกของอุกกาบาตอุกกาบาตในแอริโซนา แต่ตอนนี้ส่วนใหญ่ถูกพบแล้ว ) น่าเสียดายที่หลุมอุกกาบาตที่มีชื่อเสียงที่สุดในยูโรปา, ยาง, วัสดุขุดจากลึกเพียง 3 กิโลเมตร, ไม่ลึกพอที่จะเข้าใกล้มหาสมุทร (เนื่องจากรูปทรงเรขาคณิตและกลศาสตร์, หลุมอุกกาบาตขุดจากส่วนบนของปล่องภูเขาไฟ, ไม่ต่ำกว่า) หากกระเป๋าหรือชั้นของวัสดุมหาสมุทรถูกแช่แข็งเข้าไปในเปลือกโลกที่ระดับความลึกตื้นมันอาจถูกสุ่มตัวอย่างโดยปล่องภูเขาไฟกระแทก แท้จริงแล้วพื้นของ Tire มีสีที่เป็นสีส้มมากกว่าเปลือกเดิมเล็กน้อย อย่างไรก็ตามกาลิเลโอประมาณครึ่งหนึ่งของยูโรปามองเห็นได้ดีดังนั้นอาจมีหลุมอุกกาบาตขนาดใหญ่อยู่ทางด้านที่มองไม่เห็น เราจะต้องกลับไปหาคำตอบ
2. มีหลักฐานที่ชัดเจนว่าเปลือกน้ำแข็งของยูโรปาค่อนข้างไม่เสถียรและมีการพาความร้อน (หรือเป็น) ซึ่งหมายความว่า blobs ของวัสดุเปลือกโลกลึกขึ้นสู่พื้นผิวที่บางครั้งพวกมันถูกเปิดออกเป็นโดมกว้างหลายกิโลเมตร (คิดว่าโคมไฟลาวายกเว้นว่า blobs นั้นเป็นวัสดุแข็งนุ่มเช่น Silly Putty) วัสดุมหาสมุทรใด ๆ ที่ฝังอยู่ภายในเปลือกโลกล่างสามารถสัมผัสกับพื้นผิวได้ กระบวนการนี้อาจใช้เวลาหลายพันปีและการได้รับรังสีที่อันตรายถึงตายของดาวพฤหัสบดีจะไม่เป็นมิตรที่จะพูดน้อยที่สุด! แต่อย่างน้อยเราก็สามารถตรวจสอบและสุ่มตัวอย่างสิ่งที่เหลืออยู่
3. การชุบผิวหน้าของพื้นที่กว้างบนพื้นผิวของยูโรปาที่เปลือกน้ำแข็งถูกฉีกขาดและแยกออกจากกันอย่างแท้จริง พื้นที่เหล่านี้ไม่ว่างเปล่า แต่เต็มไปด้วยวัสดุใหม่จากด้านล่าง พื้นที่เหล่านี้ดูเหมือนจะไม่ได้ถูกน้ำท่วมด้วยวัสดุจากมหาสมุทร แต่เป็นเพราะน้ำแข็งอุ่น ๆ จากใต้เปลือกโลก อย่างไรก็ตามเรื่องนี้เป็นไปได้อย่างมากที่วัสดุทางทะเลสามารถพบได้ในวัสดุเปลือกโลกใหม่นี้
ความเข้าใจของเราเกี่ยวกับพื้นผิวและประวัติของยูโรปานั้นยังมี จำกัด กระบวนการที่ไม่รู้จักอาจเกิดขึ้นที่นำวัสดุมหาสมุทรขึ้นสู่ผิวน้ำ แต่จะมีเพียงการกลับคืนสู่ Europa เท่านั้น
จะทำอะไรต่อไปสำหรับยูโรปา
ด้วยการยกเลิกการเสนอ Orbiter ของ Europa เมื่อเร็ว ๆ นี้เนื่องจากมีค่าใช้จ่ายสูงเกินไปนี่เป็นเวลาที่ดีที่จะทบทวนกลยุทธ์ของเราในการสำรวจมหาสมุทรของยูโรปา เรือดำน้ำ Tethered และ probes เจาะลึกค่อนข้างทำไม่ได้ในเปลือกลึก แต่การลงจอดบนพื้นผิวอาจมีความสำคัญมากอย่างไรก็ตาม ก่อนที่เราจะส่งแลนเดอร์มาที่ผิวน้ำเราควรส่งภารกิจลาดตระเวนทั้งในวงโคจรจูปิเตอร์หรือยูโรปาเพื่อค้นหาความเสี่ยงของวัตถุในมหาสมุทรและจุดที่บางในเปลือกโลกและสำรวจหาจุดลงจอดที่ดีที่สุด ภารกิจดังกล่าวจะใช้ประโยชน์จากความสามารถในการแมปอินฟาเรดที่พัฒนาขึ้นอย่างมากมายสำหรับการระบุแร่ (หลังจากนั้นเครื่องมือกาลิเลโอเกือบ 25 ปีแล้ว) เครื่องมือสเตอริโอและเลเซอร์จะใช้สำหรับการทำแผนที่ภูมิประเทศ ร่วมกับการศึกษาแรงโน้มถ่วงข้อมูลเหล่านี้สามารถใช้ในการค้นหาบริเวณที่ค่อนข้างบางของเปลือกน้ำแข็ง ในที่สุดกาลิเลโอสำรวจยูโรปาน้อยกว่าครึ่งที่ความละเอียดเพียงพอสำหรับการทำแผนที่รวมถึงหลุมอุกกาบาต ยกตัวอย่างเช่นหลุมอุกกาบาตที่เห็นได้ไม่ดีนี้อาจบ่งบอกว่าเปลือกน้ำแข็งของยูโรปาเป็นทินเนอร์ในอดีตหรือไม่
Lander สำหรับ Europa หรือไม่?
แลนเดอร์ที่มีเครื่องวัดแผ่นดินไหวสามารถรับฟังเสียงคลื่นไหวสะเทือนที่เกิดจากกองกำลังน้ำขึ้นน้ำลงรายวันของจูปิเตอร์และไอโอ คลื่นแผ่นดินไหวสามารถใช้ในการทำแผนที่ความลึกไปยังด้านล่างของเปลือกน้ำแข็งได้อย่างแม่นยำและอาจเป็นก้นมหาสมุทร เครื่องวิเคราะห์ทางเคมีบนเครื่องบินจะค้นหาโมเลกุลของสารอินทรีย์หรือสารติดตามทางชีวภาพอื่น ๆ และอาจกำหนดเคมีทางทะเลซึ่งเป็นหนึ่งในตัวชี้วัดพื้นฐานของกลุ่มเป้าหมายของยูโรปาในฐานะที่เป็นที่อยู่อาศัย ดาวเคราะห์ คนงานนั้นอาจจะต้องเจาะลึกหลายเมตรเพื่อผ่านบริเวณที่รังสีได้รับความเสียหายที่พื้นผิว หลังจากปฏิบัติภารกิจเหล่านี้แล้วเราจะสามารถเริ่มต้นการสำรวจดวงจันทร์ขนาดดาวเคราะห์ที่ยั่วเย้าอย่างแท้จริงได้ ในการถอดความ Monty Python มันยังไม่ตาย!
แหล่งต้นฉบับ: USRA News Release
