A baixa gravidade nos mundos oceânicos pode ajudar a manter a circulação de água quente

Montes de lava recém-colocados (desde 2018) (pretos com coloração mineral hidrotérmica amarela) no fundo da cratera de KSM (janeiro de 2023). ROV Jason se prepara para inserir um sensor de temperatura em uma ventilação hidrotermal recém-formada (área manchada de amarelo, canto inferior direito) dentro das lavas recentemente eclodidas. (©Instituição Oceanográfica Woods Hole)

Um novo estudo liderado por membros da equipe da UC Santa Cruz usou um modelo computacional complexo para investigar como a influência da baixa gravidade, encontrada nos mundos oceânicos do nosso sistema solar exterior, poderia influenciar os fluxos de água e calor abaixo do fundo do mar.

O trabalho foi conduzido como parte de um programa multi-institucional “Exploring Ocean Worlds” da NASA, liderado pelo cientista sênior do Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI), Chris German. Lançou uma nova luz sobre o potencial de ventilação hidrotermal no fundo do mar – que acolhe algumas das formas de vida mais primitivas da Terra – que ocorrerá noutras luas do “Mundo Oceânico” que orbitam planetas gigantes no Sistema Solar exterior.

Braço manipulador do ROV Jason usando um amostrador Isobaric Gas-Tight (IGT) para coletar fluidos de ventilação quentes (~40°C) no Monte Submarino Kama'ehuakanaloa (KSM), janeiro de 2023. (©Woods Hole Oceanographic Institution)

Nosso sistema solar contém muitos “mundos oceânicos”, planetas e luas que atualmente possuem, ou tiveram no passado, um oceano líquido. Alguns destes mundos oceânicos podem libertar calor suficiente internamente para impulsionar a circulação hidrotérmica – água que flui para o fundo do mar, circula, é aquecida e flui de volta para fora. Na Terra, estes fluxos podem transportar calor e produtos químicos, alguns dos quais são fundamentais para sustentar ecossistemas exuberantes do fundo do mar. Estes sistemas rocha-calor-fluido foram descobertos no fundo do mar da Terra na década de 1970, e muitos cientistas pensam que podem existir noutros locais do nosso sistema solar - este é um tema de grande interesse, especialmente porque existe potencial para sustentar vida. A equipe de pesquisa da UC Santa Cruz, em colaboração com colegas do Blue Marble Space Institute of Science, WHOI e Nantes Université, publicou seu novo estudo no Journal of Geophysical Research: Planets, mostrando como sistemas hidrotérmicos como os vistos na Terra pode diferir sob condições de gravidade mais baixas de outros mundos oceânicos.

Muitas pessoas já ouviram falar de aberturas de alta temperatura no fundo do mar da Terra, às vezes chamadas de "fumantes negros", onde fluidos aquecidos acima de 300 °C (muito mais quentes que o ponto de ebulição da água ao nível do mar na Terra) jorram para o oceano, depositando minérios metálicos. e ajudando a sustentar a vida exótica. Embora estes sistemas de alta temperatura sejam impulsionados principalmente pela atividade vulcânica do fundo do mar, um volume muito maior de fluido flui para dentro e para fora do fundo do mar da Terra a temperaturas mais baixas, impulsionado principalmente pelo arrefecimento "de fundo" do planeta.

“O fluxo de água através da ventilação de baixa temperatura é equivalente, em termos da quantidade de água descarregada, a todos os rios e riachos da Terra, e é responsável por cerca de um quarto da perda de calor da Terra”, disse Andrew Fisher, autor principal do estudo e ilustre professor de ciências terrestres e planetárias (EPS) na UC Santa Cruz. “Todo o volume do oceano é bombeado para dentro e para fora do fundo do mar a cada meio milhão de anos”.

“Muitos estudos anteriores sobre a circulação hidrotérmica em Europa e Encélado (luas de Júpiter e Saturno) consideraram fluidos de temperatura mais elevada, e desenhos animados e outros desenhos ilustram frequentemente sistemas nos seus fundos marinhos que se parecem com fumos negros na Terra”, explicou Donna Blackman, uma EPS. pesquisador da UC Santa Cruz e terceiro autor do novo artigo. "Fluxos de temperaturas mais baixas têm pelo menos a mesma probabilidade de ocorrer, se não mais."

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Kristin Dickerson, segunda autora do artigo e Ph.D. candidato em EPS na UC Santa Cruz, explicou a base do estudo: "Observamos um sistema de circulação de água do mar abaixo do fundo do mar da Terra que tem sido estudado há anos. Foi descoberto nas profundezas do noroeste do Oceano Pacífico, onde a água fria do fundo flui através um monte submarino (um vulcão extinto), viaja por 50 km e depois flui através de outro monte submarino." Essa água acumula calor à medida que flui e sai mais quente do que quando entrou, e com uma química muito diferente. Os pesquisadores usaram um modelo de computador desenvolvido para esse sistema terrestre, alterando o valor da gravidade e examinando como os fluxos variariam sob uma ampla gama de condições (como diferentes quantidades de aquecimento, propriedades das rochas, profundidade de circulação de fluidos).

O fluxo de um monte submarino para outro é impulsionado pela flutuabilidade, porque a água fica menos densa à medida que aquece e mais densa à medida que esfria. As diferenças na densidade criam diferenças na pressão do fluido na rocha, e o sistema é sustentado pelos próprios fluxos. “Nós o chamamos de sifão hidrotérmico”, disse Fisher, “e ele pode funcionar enquanto houver um suprimento de calor e as propriedades da rocha continuarem a permitir a circulação”. Alguns mundos oceânicos são aquecidos por grandes marés, que podem gerar calor à medida que um mundo oceânico é flexionado durante uma órbita excêntrica em torno de um planeta gigante.

O novo artigo mostra que, quando a gravidade é menor do que na Terra, há uma menor força de empuxo que impulsiona o fluxo para dentro e para fora do fundo do mar - isto tende a retardar a circulação da água e a remover o calor. Ao mesmo tempo, menos flutuabilidade quando a gravidade é mais baixa também resulta em menos mistura secundária abaixo do fundo do mar, um processo que tende a consumir energia e, assim, reduzir o fluxo entre os afloramentos.

Um resultado interessante das simulações apresentadas no novo artigo é que, sob gravidade muito baixa (como a encontrada no fundo do mar de Encélado, uma pequena lua de Saturno), a circulação pode continuar com temperaturas baixas a moderadas durante milhões ou milhares de milhões de anos - ou seja, durante toda a vida do Sistema Solar. Isto poderia ajudar a explicar como pequenos mundos oceânicos, com gravidade muito inferior à da Terra, podem ter sistemas de circulação de fluidos de longa duração abaixo dos fundos marinhos: a baixa eficiência da extração de calor poderia levar a uma longevidade considerável. Além disso, algumas simulações resultaram em temperaturas do fluido de ventilação de até 150 °C, logo acima dos limites superiores da vida na Terra, apesar da circulação relativamente rasa abaixo do fundo do mar. No geral, estas simulações mostram que a baixa gravidade altera significativamente as temperaturas e as taxas de fluxo e, portanto, provavelmente impacta a química da descarga de fluidos em comparação com o que seria encontrado na Terra.

Os cientistas planetários estão recorrendo a observações de missões de satélite para ajudar a determinar que tipos de condições estão presentes ou são possíveis nos mundos oceânicos. A equipe de autores do novo artigo estará presente no lançamento da espaçonave Europa Clipper em Cabo Canaveral, Flórida, no final deste outono, juntamente com colegas que colaboram no projeto Exploring Ocean Worlds.

De acordo com German do WHOI, que também é coautor do artigo, “Um resultado significativo deste estudo é que ele sugere que sistemas hidrotérmicos de baixa temperatura (não muito quentes para a vida) poderiam ter sido sustentados em mundos oceânicos além da Terra ao longo de escalas de tempo muito maiores. mais tempo do que levou para que vida semelhante se instalasse pela primeira vez na Terra. Assim, os mundos oceânicos no sistema solar exterior também poderiam ser habitáveis e, talvez, hospedar vida.”