En isig satellit av Saturnus, Enceladus, har varit föremål för ökat intresse de senaste åren sedan Cassini fångade vattenstrålar och annat material som kastades ut från månens sydpol. En särskilt lockande hypotes som stöds av provsammansättningen är att det kan finnas liv i haven under Enceladus isskal. För att utvärdera Enceladus beboelighet och för att ta reda på det bästa sättet att undersöka denna isiga måne, forskare behöver bättre förstå den kemiska sammansättningen och dynamiken i Enceladus hav.

Specifikt, en lämplig salthalt kan vara viktig för beboeligheten. Som de tre björnarnas gröt, saltnivån i vattnet måste vara lagom för att livet ska trivas. För hög salthalt kan vara livshotande, och för låg salthalt kan tyda på en svag vatten-bergreaktion, begränsa mängden energi som är tillgänglig för livet. Om livet existerar, havscirkulation, som också är indirekt beroende av salthalt, kommer att avgöra var värmen, näringsämnen och potentiella biosignaturer transporteras till, och är därför nyckeln till upptäckten av biosignaturer.

Ett team av forskare som arbetar med Dr. Wanying Kang vid MIT närmar sig dessa frågor genom att numeriskt simulera de sannolika havscirkulationerna för olika möjliga salthaltsnivåer och utvärdera sannolikheten för varje scenario genom att fråga om det kan upprätthålla den observerade isskalsgeometrin som Cassini kartlagt på den iskalla månen.

Havets cirkulation är beroende av skillnader i densitet av dess ingående vatten i olika delar av havet. Vatten som är tätare kommer att strömma mot vatten som är mindre tätt för att nå en jämvikt. Dessa densitetsskillnader styrs själva av två nyckelfaktorer, platsen för månens värmekälla och havets salthalt, båda är för närvarande dåligt förstådda.

Det finns två platser på Enceladus för en potentiell värmekälla:i silikatkärnan eller i den nedre ishyllan där den möter den övre delen av havet. Om en betydande mängd värme produceras i silikatkärnan genom tidvattenböjning under havet, forskare förväntar sig att se konvektion, precis som vad som händer när du kokar en kastrull med vatten. Liknande, om frysning inträffar ovanpå havet, salt kommer att drivas ut ur isen, öka den lokala vattentätheten och utlösa konvektion från toppen.

Salthalten spelar också en nyckelroll i dessa densitetsberäkningar. För relativt låga salthalter, vatten drar ihop sig vid uppvärmning nära fryspunkten, gör den tätare. Eftersom Enceladus hav är i kontakt med ett globalt isskal, det är nära minusgrader. Detta är kontraintuitivt med hur de flesta människor tänker på uppvärmning - vilket i allmänhet innebär att materialet blir mindre tätt med ökande temperatur. Vid högre salthalter, detta blir sant och vattnet börjar bete sig normalt, expanderar vid uppvärmning.

Med tanke på osäkerheten i Enceladus havssalthalt (mellan 4-40 gram salt per kilo vatten) och hur stor andel av planetens uppvärmning som sker vid någon av de två källorna, Dr. Kang och hennes medförfattare använde MIT:s havsmodell för att simulera havscirkulationen under olika kombinationer, förutsatt att det observerade isskalet upprätthålls genom att frysa i de tjocka isområdena och smälta någon annanstans. Detta gäller till stor del för isiga världar, eftersom ishyllor skulle plana ut naturligt med tiden på grund av isflödet om ingen annan process upprätthåller en skillnad.

Teamet diagnostiserade värmetransporten under olika scenarier och fann att endast ett fåtal av dem i stort sett kan upprätthålla en "balanserad" värmebudget, dvs. hur de olika värmekällorna (mängden värmeflöde från havet till isen, plus värmeproduktionen i isen på grund av tidvattenböjning, plus den latenta värmeavgivningen) kan exakt balansera den ledande värmeförlusten genom isskalet.

Enligt modellen, en sådan balans kan uppnås i stort sett om havets salthalt är på någon mellannivå (10 ^-30 g/kg) och om isskalet är den dominerande värmekällan. När dessa två villkor är uppfyllda, havscirkulationen är svag. Som ett resultat, det varma polära vattnet kommer inte att blandas mot ekvatorn för effektivt, så ekvatorial smältning kommer inte att ske. Detta resulterar i en ishylla som är tjockare runt månens ekvator, som observerades av Cassini. Det innebär också att trycket vid vatten-is-gränssnittet är lägre vid polerna, vilket betyder att det också har en högre fryspunkt än vatten vid ekvatorn.

För de scenarierna med en "obalanserad" värmebudget, vilket betyder att en del av värmen som skapas på månen inte leds bort, värmetransporten mot ekvatorn är för effektiv och ekvatorialisen tenderar att smälta. Under tiden, tryckgradientkraften kommer att driva ett isflöde från ekvatorn till polerna. Tillsammans, smältningen och isflödet kommer att minska istjockleken nära ekvatorn, oundvikligen. Under detta scenario, den observerade isgeometrin kan inte bibehållas under månens livstid.