Un subsuelo caliente bajo el polo Sur de Encélado

Las características térmicamente anómalas detectadas por la sonda Cassini bajo la superficie del polo sur del satélite de Saturno Encélado, es un componente añadido para albergar agua líquida.

La luna de Saturno Encélado es un mundo activo. Ya en 2005, la sonda espacial Cassini fue testigo por primera vez de chorros ricos en agua que salían de cuatro fracturas (Surcos) anormalmente cálidas cerca de su polo sur. Desde entonces, varias observaciones han proporcionado la evidencia de que la fuente del material expulsado de Encélado es un gran océano subterráneo, cuya profundidad todavía se debate. En el estudio publicado en Nature Astronomy se informa sobre la primera y única oportunidad que el instrumento RADAR de Cassini tuvo para observar de cerca el terreno polar Sur de Encélado, dirigiéndose a una zona a unas decenas de kilómetros al norte de los surcos activos.

El análisis detallado de las observaciones de radiometría de microondas destaca la actividad en curso de Encélado. El instrumento registró la emisión térmica de microondas, revelando una región bajo la superficie que es caliente, con prominentes anomalías térmicas que no habían sido identificadas anteriormente. Estas anomalías coinciden con grandes fracturas, similares o estructuralmente relacionadas con los surcos. Las observaciones implican la presencia de un sistema de producción y transporte de calor ámpliamente distribuido por debajo del terreno polar sur con características de tipo “placa” y sugieren que una reserva en forma líquida podría existir a una profundidad de sólo unos pocos kilómetros bajo la capa de hielo en el polo sur . La detección de un posible surco latente sugiere además, una actividad geológica episódica.

La sonda espacial Cassini (NASA), la Agencia Espacial Europea y la Agencia Espacial Italiana han explorado el sistema de Saturno durante los últimos años. La detección de chorros ricos en agua que salen de cuatro grandes fracturas cerca del polo sur de Encélado es uno de los principales descubrimientos de la misión. Estos chorros son la evidencia de la actividad interna continua en Encélado, cuyo terreno polar sur (SPT) es anormalmente cálido e irradia una potencia interna de hasta ~ 16 GW como se indica por los datos del infrarrojo térmico. La detección de sales de sodio en los granos helados expulsados ​​de Encélado, junto con datos de topografía y gravedad, sugieren  que la luna oculta una reserva de agua líquida debajo de su superficie. La reciente detección proporciona la primera evidencia de un océano global debajo de una capa de hielo relativamente delgada, potencialmente tan delgada como 5-10 km en el terreo polar sur. Este océano puede albergar actividad hidrotérmica en su suelo, por lo tanto, Encélado se convierte en uno de los ambientes más prometedores adecuados para la vida existente en el Sistema Solar junto a la luna de Júpiter Europa.

El estudio está basado a partir de las mediciones obtenidas por la sonda Cassini el 6 de noviembre de 2011. Durante la aproximación más cercana al encuentro 16 de Encélado (sobrevuelo E16), el instrumento RADAR a bordo de Cassini tuvo la oportunidad de observar de cerca el SPT (Terreno Polar Sur) de Encélado. A una distancia de unos 500 km de la superficie, el instrumento adquirió una imagen de radar de apertura sintética (SAR) (figura 1a) y registró la emisión térmica de 2,2 cm de longitud de onda (figura 1b) de una región en forma de arco que es de unos 500 km de largo y  25 km de ancho, centrado en 63 ° S y 295 ° W, y situado a 30-50 km al norte de los surcos térmicamente activos identificados como las fuentes de los chorros de Encélado. Las temperaturas de brillo superficial calibradas medidas durante el sobrevuelo 16,  cubren un rango de 32.0 + 0.6-2.632.0-2.6 + 0.6 a 60.0 + 1.2-4.860.0-4.8 + 1.2 K. Aquí, se demuestra que estas temperaturas, como las medidas sobre el SPT en el infrarrojo, son demasiado altas para una explicación por causas externas con implicaciones para los procesos internos y el transporte de calor en el SPT de Encélado.

Figura 1: Proyección estereográfica polar de observaciones del instrumento RADAR activo y pasivo del SPT de Encélado adquirido durante la aproximación más cercana al sobrevuelo E16.

Figure 1
FIG.A, imagen sobrevuelo E16 SAR (resolución: ~ 50 m y ~ 200 m en las direcciones transversal y longitudinal) superponiendo un mosaico de color producido por la Cassini ISS (PIA18435). La región mapeada incluye parte del sistema de Mosul Sulci y dos regiones en forma de V (cerca de los extremos occidental y oriental de la franja) que exhiben secciones transversales de retrodispersión especialmente altas FIG. B, mapa de la luminosidad y temperatura de la superficie (longitud de onda, 2.2 cm, resolución, ~ 4 km × 25 km en el centro de la franja) que superponen un mosaico ISS de luz visible (PIA14937). Las huellas de medición del radiómetro son elipses largas y estrechas con el eje largo aproximadamente en la dirección transversal. Las temperaturas de brillo medidas cubren un intervalo de 32,0  a 60,0 Kelvin.

Estas mediciones son posibles gracias a los radiómetros (instrumento para detectar y medir la intensidad de energía térmica radiante, en especial de rayos infrarrojo) de microondas, pueden utilizarse para detectar la actividad bajo la superficie que se produce a temperaturas mucho más bajas y ha profundidades mucho mayores que las que se toman con instrumentos infrarrojos. El radiómetro de Cassini mide una temperatura de brillo superficial (Tb) que, según la ley de Rayleigh-Jeans aplicable a la longitud de onda de 2,2 cm, es el producto de la emisividad superficial (e) y la temperatura física efectiva (Teff), o la temperatura vertical de Perfil ponderado por una función de transferencia radiativa e integrado sobre la profundidad: Tb = eTeff. La profundidad media de emisión, o profundidad de penetración, en los regolitos helados es típicamente de 10 a 100 longitudes de onda (ref.15), que se traduce en varias decenas de centímetros hasta algunos metros para el radiómetro Cassini.

Curiosamente, la región observada por el instrumento RADAR de Cassini durante la aproximación más cercana del sobrevuelo E16, estaba enteramente en la oscuridad fría: una parte estaba en el lado nocturno de Encélado mientras que la otra estaba experimentando un eclipse solar. Sin embargo, cuando la profundidad de penetración es suficientemente grande, las temperaturas detectadas por el radiómetro de Cassini están dominadas por la señal estacional y, por tanto, desacopladas de las condiciones superficiales. Esto es clave para el análisis de las observaciones de la radiometría del E16, que ocurrieron poco después del equinoccio vernal; Es decir, en un momento en que se había almacenado una cantidad significativa de calor en las regiones polares del sur a partir del verano anterior. Las simulaciones térmicas muestran que el calor enterrado y la contribución de la emisión térmica infrarroja de Saturno (la principal fuente de calentamiento durante un eclipse solar) pueden aumentar la temperatura efectiva hasta 5 K, en comparación con la temperatura superficial, y predecir una temperatura física efectiva de 60 K.

Sólo una fracción de la emisividad superficial de la energía térmica es emitida por la radiación de la superficie de Encélado y detectada por el radiómetro de Cassini. Esto se debe a un mecanismo de dispersión de volumen la transparencia y la porosidad del regolito de hielo de agua limpia de Encélado proporciona una mayor oportunidad para la dispersión, lo que evita que las ondas emitidas escapen del subsuelo.

Con los modelos térmicos, radiativos de transferencia y emisividad, se han estimado las temperaturas máximas de brillo esperadas en ausencia de flujo interno y se han comparado con las observaciones de radiometría E16. Esto reveló que los valores del brillo superficial medidos eran demasiado altos para ser causados ​​por la simple re-irradiación térmica de la luz absorbida en la superficie y requieren una fuente de calor bajo la superficie.

La figura 2 muestra el exceso de flujo una vez que el fondo térmico pasivo máximo predicho se ha sustraído de las mediciones de radiometría. La anomalía térmica es especialmente pronunciada en dos o tres áreas.

Figure 2
A, b, Flujos mínimos de calor en exceso derivados de las observaciones de radiometría de microondas. C, mosaico de color ISS del SPT de Encélado con las tres características de superficie principales asociadas con las salidas del pico de calor en a y b indicadas por flechas. D, Mapa de observaciones CIRS del SPT (longitud de onda, 9-17 μm, resolución, ~ 25-30 km por píxel) con la franja del sobrevuelo de Cassini E16 delineada en blanco. E, f, Imágenes de ISS de primer plano de la parte escarpada curva del sistema de Mosul Sulci (e) y del posible surco latente situado en el centro de la imagen E16 (f).

 

El exceso de flujo medio de unos 0,5 W m-2, implica una fuente de calor muy fuerte debajo de la superficie, probablemente de naturaleza interna, y es consistente con la presencia de agua líquida a profundidades tan pequeñas como 2 km debajo de la parte central del terreno polar Sur (SPT), tal como sugiere la interpretación reciente de los datos de libración, topografía y gravedad. Esto implica un acentuado adelgazamiento de la capa de hielo en el SPT (<5 km), y un espesamiento abrupto en los terrenos circundantes (unidad cl3 en la figura 3a).

Figura 3: Posible escenario para la producción y transporte de calor bajo la superficie del SPT de Encélado.

Figure 3
A, Proyección ortográfica del SPT con las unidades estructurales mapeadas superpuestos. La franja del sobrevuelo E16 el instrumento RADAR se representa en negro y las regiones con una anomalía térmica máxima se marcan en rojo. B, Esbozo conceptual del subsuelo debajo de los perfiles, OE y OF (véase a). El punto E corresponde a una de las dos escarpas curvas calientes identificadas (probablemente similar a la del punto E ‘) asociada con una deflexión hacia arriba de la isoterma. El punto F corresponde al posible surco latente detectado en el centro de la vía E16, en una región donde el espesor de la capa de hielo es probablemente menor que el del punto E (o E ‘) pero mayor que el del SPT central. La línea punteada representa una isoterma del subsuelo y las flechas indican las tensiones (extensión-compresión) alrededor de las rayas.

El estudio pone sobre la mesa que el  único mecanismo de calentamiento conocido capaz de generar aumentos de temperatura sostenidos como los observados, es la disipación de las mareas impulsada por las distorsiones rítmicas de Encélado a medida que sigue su órbita excéntrica alrededor de Saturno. A diferencia de las lunas grandes como Europa o Titán, la deformación de las mareas dentro de la capa de hielo de Encélado parece ser muy sensible por su espesor, el adelgazamiento de la cáscara es resultado de un fuerte aumento de la deformación de las mareas y por lo tanto en la producción de calor tanto por disipación viscosa como por cizallamiento a lo largo de fallas.

Las observaciones sólo cubren un pequeño parche de los terrenos polares del sur, es probable que toda la región se caliente por debajo y el océano de Encélado pudiera estar a sólo 2 km bajo la superficie helada. El hallazgo coincide con los resultados de un estudio reciente, que estimó el espesor de la corteza en Encélado. Con una profundidad promedio de 18-22 km, la capa de hielo parece reducirse a menos de 5 km en el polo sur. En este escenario, la corteza helada más delgada en la región del polo sur está sujeta a una mayor deformación de marea que, a su vez, libera más calor y contribuye a mantener el agua subterránea en forma líquida.

Si el océano subterráneo de Encélado está realmente tan cerca de la superficie como indica este estudio, entonces una misión futura a esta luna con un instrumento de sondeo de radar penetrante de hielo podría ser capaz de detectarlo y revelar la compleja actividad dinámica bajo la superficie de este mundo oceánico activo.

Artículos relacionados con la Sonda Cassini y Encélado: http://blog.meteorologiaespacial.es/?s=cassini y http://blog.meteorologiaespacial.es/?s=enc%C3%A9lado

Para una información más detallada, fuente, métodos y referencias:

http://www.nature.com/natastron/

http://www.nature.com/articles/s41550-017-0063

 

 

Deja un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada.