Tientallen jaren voordat een sonde een teen (en thermometer) in de wateren van verre oceaanwerelden dompelt, hebben astrobiologen van Cornell een nieuwe manier bedacht om de oceaantemperatuur te bepalen op basis van de dikte van hun ijsschelpen, waardoor oceanografie effectief vanuit de ruimte kan worden uitgevoerd.

Beschikbare gegevens waaruit de variatie in ijsdikte blijkt, maken al een voorspelling mogelijk voor de bovenste oceaan van Enceladus, een maan van Saturnus, en het geplande baanonderzoek van een NASA-missie naar de ijsschelp van Europa zou hetzelfde moeten doen voor de veel grotere Jupiter-maan, waardoor de bevindingen van de missie over de vraag of het zou het leven kunnen ondersteunen.

De onderzoekers stellen voor dat een proces genaamd 'ijspompen', dat ze onder de Antarctische ijsplaten hebben waargenomen, waarschijnlijk de onderkant van de ijsschelpen van Europa en Enceladus vormt, maar ook zou moeten werken bij Ganymede en Titan, grote manen van respectievelijk Jupiter en Saturnus. .

Ze laten zien dat temperatuurbereiken waar het ijs en de oceaan met elkaar in wisselwerking staan ​​– belangrijke gebieden waar ingrediënten voor leven kunnen worden uitgewisseld – kunnen worden berekend op basis van de helling van een ijsschelp en veranderingen in het vriespunt van water bij verschillende drukken en zoutgehalten.

"Als we de diktevariatie over deze ijsschalen kunnen meten, kunnen we temperatuurbeperkingen op de oceanen vaststellen, wat eigenlijk nog niet op een andere manier kan gebeuren zonder erin te boren", zegt Britney Schmidt, universitair hoofddocent astronomie en van Aard- en atmosferische wetenschappen aan het College of Arts and Sciences en Cornell Engineering. "Dit geeft ons een extra hulpmiddel om te proberen te achterhalen hoe deze oceanen werken. En de grote vraag is:leven daar dingen, of zouden ze dat kunnen?"

Samen met huidige en voormalige leden van haar Planetary Habitability and Technology Lab is Schmidt, lid van NASA's wetenschapsteam Europa Clipper, co-auteur van 'Ice-Ocean Interactions on Ocean Worlds Influence Ice Shell Topography', gepubliceerd in de Journal of Geophysical Research:Planeten . De eerste auteur is Justin Lawrence, gastonderzoeker aan het Cornell Center for Astrophysics and Planetary Science (A&S) en programmamanager bij Honeybee Robotics.

In 2019 observeerde het team van Schmidt, inclusief Lawrence, met behulp van de op afstand bediende Icefin-robot ijs dat in een gletsjerspleet onder de Ross Ice Shelf in Antarctica pompte. Glad en troebel meteorisch ijs aan de onderkant van de plank smolt, waardoor er frisser, minder dicht water ontstond dat de gletsjerspleet oprees en weer bevroor als ruw, groen zee-ijs. De resultaten zijn gerapporteerd in Nature Geoscience en Wetenschappelijke vooruitgang , in artikelen onder leiding van Lawrence en Peter Washam, onderzoekswetenschapper bij het Department of Astronomy (A&S).

Het proces wordt aangedreven door het feit dat het vriespunt van water negatief afhangt van de druk:naarmate de diepte en de druk toenemen, moet water kouder zijn om uit te zetten en te bevriezen. Diep beneden, waar de druk groter is en het vriespunt kouder, kunnen oceaanstromingen ijs gemakkelijker doen smelten. Als het gesmolten ijswater drijft en naar ondiepere diepten en lagere druk opwelt, zal het opnieuw bevriezen. Door de cyclus wordt een deel van het ijs opnieuw verdeeld binnen een plank of schaal, waardoor de samenstelling en textuur ervan verandert.

"Overal waar je die dynamiek hebt, zou je verwachten dat er ijs wordt gepompt", zei Lawrence. "Je kunt voorspellen wat er gebeurt op het grensvlak tussen ijs en oceaan op basis van de topografie:waar het ijs dik of dun is, en waar het vriest of smelt."

De onderzoekers brachten het bereik van de potentiële schaaldikte, druk en zoutgehalte in kaart voor oceaanwerelden met variërende zwaartekracht en concludeerden dat ijspompen in de meest waarschijnlijke scenario's zou plaatsvinden, maar niet in alle. Ze ontdekten dat de interacties tussen ijs en oceaan op Europa vergelijkbaar kunnen zijn met die waargenomen onder de Ross Ice Shelf – een bewijs, zei Lawrence, dat dergelijke regio’s misschien wel de meest aardachtige op buitenaardse werelden zijn.

NASA's Cassini-sonde genereerde voldoende gegevens om een ​​temperatuurbereik voor de oceaan van Enceladus te voorspellen op basis van de helling van de ijsschelp van de polen tot de evenaar:min 1,095 graden tot min 1,272 graden Celsius. Het kennen van temperaturen geeft inzicht in hoe warmte door de oceanen stroomt en hoe deze circuleren, wat de bewoonbaarheid beïnvloedt.

De onderzoekers verwachten dat het ijspompen zwak zal zijn bij Enceladus, een kleine maan (de breedte van Arizona) met een dramatische topografie, terwijl ze bij het grotere Europa – bijna zo groot als de maan van de aarde – voorspellen dat het snel werkt om de basis van de ijsschelp glad te maken en af ​​te vlakken.

Schmidt zei dat het werk aantoont hoe onderzoek naar klimaatverandering op aarde ook de planetaire wetenschap ten goede kan komen, een reden waarom NASA de ontwikkeling van Icefin heeft gesteund.

"Er is een verband tussen de vorm van de ijsschelp en de temperatuur in de oceaan", zei Schmidt. "Dit is een nieuwe manier om meer inzicht te krijgen uit ijsschelpmetingen die we hopen te kunnen krijgen voor Europa en andere werelden."

Meer informatie: J. D. Lawrence et al, Ice-Ocean Interactions on Ocean Worlds Influence Ice Shell Topography, Journal of Geophysical Research:Planets (2024). DOI:10.1029/2023JE008036

Journaalinformatie: Journal of Geophysical Research:Planeten , Natuurgeowetenschappen , Wetenschappelijke vooruitgang

Aangeboden door Cornell University