الجاذبية المنخفضة في عوالم المحيطات قد تساعد في الحفاظ على دوران المياه الدافئة

أكوام الحمم البركانية الموضوعة حديثًا (منذ 2018) (سوداء مع تلطيخ معدني حراري مائي أصفر) في أرضية فوهة البركان في خالد شيخ محمد (يناير 2023). يستعد ROV Jason لإدخال مستشعر درجة الحرارة في فتحة حرارية مائية تم تشكيلها حديثًا (المنطقة الملطخة باللون الأصفر، أسفل اليمين) داخل الحمم البركانية التي اندلعت مؤخرًا. (© معهد وودز هول لعلوم المحيطات)

استخدمت دراسة جديدة أجراها أعضاء الفريق في جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز نموذجًا حاسوبيًا معقدًا للتحقيق في كيفية تأثير الجاذبية المنخفضة، كما هو موجود في عوالم المحيطات في نظامنا الشمسي الخارجي، على تدفقات المياه والحرارة تحت قاع البحر.

تم إجراء هذا العمل كجزء من برنامج ناسا "استكشاف عوالم المحيطات" متعدد المؤسسات، بقيادة كريس جيرمان، كبير العلماء في معهد وودز هول لعلوم المحيطات (WHOI). لقد سلط ضوءًا جديدًا على احتمال حدوث تنفيس حراري مائي في قاع البحر - الذي يستضيف بعضًا من أكثر أشكال الحياة بدائية على الأرض - على أقمار "عالم المحيطات" الأخرى التي تدور حول كواكب عملاقة في النظام الشمسي الخارجي.

ذراع مناور ROV Jason باستخدام جهاز أخذ عينات Isobaric Gas-Tight (IGT) لجمع سوائل التنفيس الدافئة (حوالي 40 درجة مئوية) في جبل كاماهواكانالوا البحري (KSM)، يناير/كانون الثاني 2023. (© Woods Hole Oceanographic Institute)

يحتوي نظامنا الشمسي على العديد من "عوالم المحيطات"، والكواكب والأقمار التي تحتوي حاليًا، أو كان بها في الماضي، محيط سائل. قد تطلق بعض هذه العوالم المحيطية ما يكفي من الحرارة داخليًا لدفع الدورة الحرارية المائية - المياه التي تتدفق إلى قاع البحر، وتدور، وتسخن، وتتدفق عائدة إلى الخارج. على الأرض، يمكن لهذه التدفقات أن تحمل الحرارة والمواد الكيميائية، وبعضها أساسي لدعم النظم البيئية في قاع البحر. تم اكتشاف هذه الأنظمة الصخرية والسوائل الحرارية في قاع بحر الأرض في السبعينيات، ويعتقد العديد من العلماء أنها قد تكون موجودة في مكان آخر من نظامنا الشمسي - وهذا موضوع ذو أهمية كبيرة، خاصة وأن هناك إمكانية لدعم الحياة. نشر فريق البحث في جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز، بالتعاون مع زملائه في معهد بلو ماربل الفضائي للعلوم، ومنظمة الصحة العالمية، وجامعة نانت، دراستهم الجديدة في مجلة الأبحاث الجيوفيزيائية: الكواكب، والتي توضح كيف أن الأنظمة الحرارية المائية مثل تلك التي تظهر على الأرض قد تختلف في ظل ظروف الجاذبية المنخفضة لعوالم المحيطات الأخرى.

لقد سمع الكثير من الناس عن الفتحات ذات درجة الحرارة العالية في قاع البحر على الأرض، والتي يطلق عليها أحيانًا "المدخنون السود"، حيث تتدفق السوائل التي يتم تسخينها فوق 300 درجة مئوية (أكثر سخونة بكثير من نقطة غليان الماء عند مستوى سطح البحر على الأرض) إلى المحيط، وتترسب الخامات المعدنية. والمساعدة في دعم الحياة الغريبة. في حين أن هذه الأنظمة ذات درجات الحرارة المرتفعة مدفوعة بشكل رئيسي بالنشاط البركاني تحت قاع البحر، فإن كمية أكبر بكثير من السوائل تتدفق داخل وخارج قاع البحر في درجات حرارة منخفضة، مدفوعة بشكل أساسي بالتبريد "الخلفية" للكوكب.

وقال أندرو فيشر: "إن تدفق المياه من خلال تنفيس درجات الحرارة المنخفضة يعادل، من حيث كمية المياه التي يتم تصريفها، جميع الأنهار والجداول على الأرض، وهو مسؤول عن حوالي ربع فقدان حرارة الأرض". مؤلف الدراسة الرئيسي وأستاذ متميز في علوم الأرض والكواكب (EPS) في جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز. "يتم ضخ كامل حجم المحيط داخل وخارج قاع البحر كل نصف مليون سنة تقريبًا."

أوضحت دونا بلاكمان، وهي من قسم EPS: "لقد تناولت العديد من الدراسات السابقة للدورة الحرارية المائية على أوروبا وإنسيلادوس (أقمار كوكب المشتري وزحل) سوائل ذات درجة حرارة أعلى، وغالبًا ما توضح الرسوم الكاريكاتورية والرسومات الأخرى الأنظمة الموجودة في قاع البحر والتي تبدو وكأنها دخان أسود على الأرض". باحث في جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز والمؤلف الثالث في الورقة الجديدة. "من المرجح على الأقل حدوث تدفقات درجات حرارة منخفضة، إن لم تكن أكثر احتمالا."

فيديو

كريستين ديكرسون، المؤلفة الثانية للورقة والحاصلة على درجة الدكتوراه. وأوضح مرشح EPS في جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز، أساس الدراسة، "لقد نظرنا إلى نظام تداول مياه البحر تحت قاع البحر الأرضي والذي تمت دراسته لسنوات. وقد تم اكتشافه في أعماق شمال غرب المحيط الهادئ، حيث تتدفق مياه القاع الباردة من خلاله. أحد الجبال البحرية (بركان خامد)، يسافر مسافة 50 كيلومترًا، ثم يتدفق عبر جبل بحري آخر." يجمع هذا الماء الحرارة أثناء تدفقه ويخرج منه بشكل أكثر دفئًا مما كان عليه عندما تدفق، وبكيمياء مختلفة تمامًا. استخدم الباحثون نموذجًا حاسوبيًا تم تطويره لهذا النظام الأرضي، وتغيير قيمة الجاذبية، وفحص كيفية اختلاف التدفقات في ظل نطاق واسع من الظروف (مثل كميات مختلفة من التسخين، وخصائص الصخور، وعمق دوران السوائل).

يتم التدفق من جبل بحري إلى آخر عن طريق الطفو، لأن الماء يصبح أقل كثافة عندما يسخن، وأكثر كثافة عندما يبرد. تؤدي الاختلافات في الكثافة إلى اختلافات في ضغط السوائل في الصخور، ويتم الحفاظ على النظام من خلال التدفقات نفسها. قال فيشر: "نحن نطلق عليه اسم السيفون الحراري المائي، ويمكنه العمل طالما أن هناك مصدرًا للحرارة وتستمر خصائص الصخور في السماح بالدوران". يتم تسخين بعض عوالم المحيطات بسبب المد والجزر الكبيرة، والتي يمكن أن تولد الحرارة عندما ينثني عالم المحيطات خلال مدار غريب الأطوار حول كوكب عملاق.

تظهر الدراسة الجديدة أنه عندما تكون الجاذبية أقل من الجاذبية الأرضية، تكون هناك قوة طفو أصغر تدفع التدفق داخل وخارج قاع البحر - وهذا يميل إلى إبطاء دوران المياه وإزالة الحرارة. وفي الوقت نفسه، يؤدي انخفاض الطفو عندما تكون الجاذبية أقل أيضًا إلى اختلاط ثانوي أقل تحت قاع البحر، وهي عملية تميل إلى استهلاك الطاقة وبالتالي تقليل التدفق بين النتوءات.

إحدى النتائج المثيرة من عمليات المحاكاة الواردة في الورقة الجديدة هي أنه في ظل جاذبية منخفضة للغاية (مثل تلك الموجودة في قاع بحر إنسيلادوس، وهو قمر صغير لكوكب زحل)، يمكن أن تستمر الدورة الدموية بدرجات حرارة منخفضة إلى معتدلة لملايين أو مليارات السنين - أي طوال حياة النظام الشمسي. يمكن أن يساعد هذا في تفسير كيف يمكن للعوالم المحيطية الصغيرة، ذات الجاذبية الأقل بكثير من جاذبية الأرض، أن تمتلك أنظمة طويلة الأمد لتدوير السوائل تحت قاع البحار: انخفاض كفاءة استخراج الحرارة يمكن أن يؤدي إلى طول عمر كبير. بالإضافة إلى ذلك، أدت بعض عمليات المحاكاة إلى ارتفاع درجات حرارة سائل التنفيس إلى 150 درجة مئوية، وهو أعلى بقليل من الحدود العليا للحياة على الأرض، على الرغم من أن الدوران ضحل نسبيًا تحت قاع البحر. بشكل عام، تظهر عمليات المحاكاة هذه أن الجاذبية المنخفضة تغير درجات الحرارة ومعدلات التدفق بشكل كبير، وبالتالي من المحتمل أن تؤثر على كيمياء تفريغ السوائل مقارنة بما يمكن العثور عليه على الأرض.

يتطلع علماء الكواكب إلى ملاحظات من بعثات الأقمار الصناعية للمساعدة في تحديد أنواع الظروف الموجودة أو المحتملة في عوالم المحيطات. سيحضر فريق مؤلفي الورقة الجديدة إطلاق المركبة الفضائية يوروبا كليبر في كيب كانافيرال بولاية فلوريدا في وقت لاحق من هذا الخريف، جنبًا إلى جنب مع الزملاء المتعاونين في مشروع استكشاف عوالم المحيطات.

وفقًا لألمانيا من منظمة الصحة العالمية، والذي شارك أيضًا في تأليف الورقة، "إن إحدى النتائج المهمة لهذه الدراسة هي أنها تشير إلى أن الأنظمة الحرارية المائية ذات درجات الحرارة المنخفضة (ليست شديدة الحرارة بالنسبة للحياة) كان من الممكن الحفاظ عليها في عوالم المحيطات خارج الأرض على مدى فترات زمنية طويلة جدًا". أطول مما استغرقته حياة مماثلة لتترسخ على الأرض لأول مرة. وبالتالي، فإن عوالم المحيطات في النظام الشمسي الخارجي يمكن أن تكون أيضًا صالحة للسكن، وربما تستضيف الحياة.