Årtionden innan någon sond sänkte en tå – och termometer – i vattnet i avlägsna havsvärldar, har Cornell-astrobiologer utarbetat ett nytt sätt att bestämma havstemperaturer baserat på tjockleken på deras isskal, och effektivt utföra oceanografi från rymden.

Tillgänglig data som visar variationer i istjockleken tillåter redan en förutsägelse för Enceladus övre hav, en Saturnus måne och ett NASA-uppdrags planerade omloppsundersökning av Europas isskal bör göra samma sak för den mycket större jovianska månen, vilket förbättrar uppdragets resultat om huruvida det skulle kunna stödja livet.

Forskarna föreslår att en process som kallas "ispumpning", som de har observerat under antarktiska ishyllor, sannolikt formar undersidorna av Europas och Enceladus isskal, men bör också fungera vid Ganymedes och Titan, stora månar av Jupiter respektive Saturnus. .

De visar att temperaturområden där isen och havet samverkar – viktiga regioner där ingredienser för liv kan bytas ut – kan beräknas utifrån ett isskals lutning och förändringar i vattnets fryspunkt vid olika tryck och salthalter.

"Om vi ​​kan mäta tjockleksvariationen över dessa isskal, så kan vi få temperaturbegränsningar på haven, vilket det egentligen inte finns något annat sätt att göra utan att borra i dem", säger Britney Schmidt, docent i astronomi och av jord- och atmosfärvetenskaper vid College of Arts and Sciences och Cornell Engineering. "Detta ger oss ytterligare ett verktyg för att försöka ta reda på hur dessa hav fungerar. Och den stora frågan är, lever saker där eller kan de?"

Med nuvarande och tidigare medlemmar av hennes Planetary Habitability and Technology Lab är Schmidt, som är medlem i NASA:s Europa Clipper vetenskapsteam, medförfattare till "Ice-Ocean Interactions on Ocean Worlds Influence Ice Shell Topography", publicerad i Journal of Geophysical Research:Planets . Den första författaren är Justin Lawrence, gästforskare vid Cornell Center for Astrophysics and Planetary Science (A&S) och programledare vid Honeybee Robotics.

2019, med hjälp av den fjärrstyrda Icefin-roboten, observerade Schmidts team, inklusive Lawrence, is som pumpade inuti en springa under Antarktis Ross Ice Shelf. Jämn och grumlig meteorisk is vid hyllans bas smälte och producerade fräschare, mindre tätt vatten som steg uppför springan och frös igen som grov, grön havsis. Resultat rapporterades i Nature Geoscience och vetenskapliga framsteg , i artiklar ledda av Lawrence och Peter Washam, forskare vid institutionen för astronomi (A&S).

Processen drivs av att vattnets fryspunkt negativt beror på trycket:När djupet och trycket ökar måste vattnet vara kallare för att expandera och frysa. Innerst inne, där trycket är större och fryspunkten kallare, kan havsströmmar lättare smälta is. Om det smälta isvattnet är flytande och stiger upp till grundare djup och lägre tryck kommer det att frysa igen. Cykeln omfördelar en del is inom en hylla eller skal, vilket ändrar dess sammansättning och textur.

"Var som helst du har den dynamiken, skulle du förvänta dig att ha ispumpning," sa Lawrence. "Du kan förutsäga vad som händer vid gränssnittet mellan is och hav baserat på topografin - där isen är tjock eller tunn och var den fryser eller smälter."

Forskarna kartlade intervall av potentiell skaltjocklek, tryck och salthalt för havsvärldar med varierande gravitation och drog slutsatsen att ispumpning skulle inträffa i de mest troliga scenarierna, men inte i alla. De fann att interaktioner mellan is och hav på Europa kan likna de som observerats under Ross Ice Shelf - bevis, sa Lawrence, att sådana regioner kan vara några av de mest jordliknande på främmande världar.

NASA:s Cassini-sond genererade tillräckligt med data för att förutsäga ett temperaturområde för Enceladus hav baserat på lutningen på dess isskal från poler till ekvator:minus 1,095 grader till minus 1,272 grader Celsius. Att känna till temperaturer ger förståelse för hur värme strömmar genom haven och hur de cirkulerar, vilket påverkar beboeligheten.

Forskarna förväntar sig att ispumpningen kommer att vara svag vid Enceladus, en liten måne (bredden av Arizona) med dramatisk topografi, medan de i större Europa – nästan lika stor som jordens måne – förutspår att den agerar snabbt för att jämna ut och platta ut isskalets bas.

Schmidt sa att arbetet visar hur forskning som undersöker klimatförändringar på jorden också kan gynna planetvetenskapen, en anledning till att NASA har stött Icefins utveckling.

"Det finns ett samband mellan formen på isskalet och temperaturen i havet," sa Schmidt. "Det här är ett nytt sätt att få mer insikt från isskalsmätningar som vi hoppas kunna få för Europa och andra världar."

Mer information: 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

Journalinformation: Journal of Geophysical Research:Planets , Naturgeovetenskap , Vetenskapens framsteg

Tillhandahålls av Cornell University