Pergunte a Ethan: Como os mundos que nunca ficam acima do congelamento podem ter água líquida?

A superfície altamente reflexiva da lua gelada de Saturno, Enceladus, indica a presença e abundância de gelo superficial consistentemente fresco, como nenhuma outra lua do Sistema Solar. Crédito da imagem: NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute.

Como três fatores se unem para descongelar o gelo e desbloquear o potencial de vida extraterrestre.


Dia após dia, dia após dia,
Ficamos presos, nem respiração nem movimento;
Tão ocioso quanto um navio pintado
Sobre um oceano pintado.



Água, água, em todos os lugares,
E todas as tábuas encolheram;
Água, água, em todos os lugares,
Nem qualquer gota para beber. –
Samuel Taylor Coleridge



O Sistema Solar provou ser um lugar surpreendente, e talvez uma das maiores surpresas seja que a Terra não é o único mundo com água líquida em sua superfície. Claro, há um pouco que existe temporariamente em Marte, mas mundos como a lua Europa de Júpiter, Enceladus de Saturno e até mesmo Plutão ultra-distante abrigam enormes oceanos subterrâneos, com alguns desses mundos tendo ainda mais água do que a Terra. No entanto, ao contrário da Terra ou mesmo de Marte, esses mundos são tão distantes do Sol e tão frios que a temperatura mais quente da superfície nunca se aproxima do ponto de fusão da água. Então, como eles têm água líquida? É isso que Gary Lapidus quer saber:

Eu estava lendo sobre a lua de Saturno Enceladus, e como os cientistas acreditam que ela tem oceanos de água líquida sob sua crosta de gelo de água. E, no entanto, também li que as temperaturas mais quentes da superfície são -90 celsius. Como essa lua pode ter água líquida? ... Em temperaturas tão frias e pressões tão baixas, parece que Enceladus pode ter água gelada e água gasosa, mas não líquida. o que estou perdendo?



Vamos começar com a água como a conhecemos aqui na Terra para descobrir.

Água em três estados: líquido, sólido (gelo) e gasoso (vapor de água invisível no ar). Nuvens são acumulações de gotículas de água, condensadas a partir de ar saturado de vapor. Crédito da imagem: Kim Hansen / Wikimedia Commons.

Na Terra, a água pode existir em três fases: sólida, líquida e gasosa, tudo dependendo da temperatura em que ela existe. Abaixo de 32° F (0° C), a água congela em gelo; acima disso, mas abaixo de 212° F (100° C), a água é líquida; acima de 212° F (100° C), existe como vapor de água gasoso. Esta é a maneira como você aprende que a água funciona quando criança, e está certo, na maioria das vezes . Mas existem algumas condições que podem fazer a água se comportar de maneira muito diferente. Por exemplo, se você mora em um local de alta altitude, como Bogotá, Colômbia, Quito, Equador ou El Alto, Bolívia, todos com mais de um milhão de habitantes, sua água ferve a uma temperatura muito mais baixa. (Grandes seções ao longo da cordilheira das Montanhas Rochosas nos EUA estão em elevações substanciais, embora mais baixas também.)



Um diagrama de fases detalhado para a água, mostrando os diferentes estados sólido (gelo), o estado líquido e os estados de vapor (gás), e as condições sob as quais eles ocorrem. Observe que abaixo de 251 K (ou -22 C/-8 F), a água líquida é impossível a qualquer pressão. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Cmglee.

Isso ocorre porque a pressão ao seu redor afeta tanto os pontos de ebulição quanto os pontos de congelamento da água. Nas profundezas do espaço, sem atmosfera, a água líquida é impossível; a água só pode existir nas fases sólida ou gasosa. Mas aqui na Terra, a água ferve a temperaturas mais baixas a pressões mais baixas, enquanto a água congelada, se for aplicada pressão suficiente, derreterá e se tornará líquida. Este último ponto muitas vezes surpreende as pessoas, até que sejam solicitadas a pensar em patins de gelo. Se você sair para o gelo sem patins, é extremamente escorregadio e muito difícil controlar seu movimento ou ganhar tração; seus sapatos deslizam sobre a superfície congelada do gelo. Mas com os patins, toda a força do seu peso é concentrada em uma única lâmina, aumentando a pressão no gelo muitas vezes, fazendo com que ele se liquefaça temporariamente em um estado aquoso.

Os patinadores artísticos esculpem trilhas no gelo devido ao fato de seus patins passarem pela superfície, aumentando a pressão significativamente o suficiente para transformar o gelo em água líquida sob a lâmina do patins. Crédito da imagem: Imagem de domínio público.



Há também outra coisa que vale a pena considerar quando se trata de água: o ponto de congelamento da água muda dependendo do que está dissolvido nela. Se você já colocou uma garrafa de vodka no freezer, sabe que a água misturada com 40% de álcool não congela na mesma temperatura que a água pura, mas em uma temperatura bem mais baixa. Nosso oceano também, com seus sais dissolvidos, também experimenta um ponto de congelamento mais baixo do que a água pura: 28° F (-2° C) com um teor de salinidade de aproximadamente 4%. Assim, você pode ter temperaturas mais frias do que o ponto de congelamento normal da água e ainda ter água líquida, dependendo do que mais estiver nela. Esta é uma das características mais marcantes de Marte, onde a água líquida pura não deveria existir.

Linhas de encosta recorrentes, como esta na encosta virada a sul de uma cratera no piso de Melas Chasma, não apenas mostraram crescer ao longo do tempo e depois desaparecer à medida que a paisagem marciana as preenche com poeira, mas também são conhecidas por ser causada pelo fluxo de água salgada e líquida. Crédito da imagem: A. S. McEwen et al., Nature Geoscience 7, 53-58 (2014).



Nas pressões e temperaturas presentes na superfície de Marte, a água líquida deveria ser uma impossibilidade física. Mas graças ao alto teor de sal de alguns solos marcianos, quando a água se condensa na superfície, ela pode existir em fase líquida. Os canais que fluem pelas encostas das paredes da cratera - conhecidos como linhas de encosta recorrentes - foram a primeira evidência direta de água líquida na superfície de outro mundo além da Terra.

No entanto, se olharmos mais longe no Sistema Solar, para mundos como Europa, Encélado ou até mesmo Plutão, não há água de superfície para ser encontrada.

Europa, uma das maiores luas do sistema solar, orbita Júpiter. Sob sua superfície congelada e gelada, a água líquida do oceano é aquecida pelas forças das marés de Júpiter. Crédito de imagem: NASA, JPL-Caltech, Instituto SETI, Cynthia Phillips, Marty Valenti.

Um exame minucioso desses mundos mostra apenas gelo. Sim, é água gelada, o que é promissor, mas as temperaturas desses mundos, muitas vezes a distância Terra-Sol, significam que as temperaturas não apenas nunca se aproximam das temperaturas de 32 ° F (0 ° C) necessárias para ter água líquida na superfície da Terra, mas que nunca se aproximam das temperaturas necessárias para ter água líquida em qualquer pressão permitida. Ainda assim, se fôssemos para baixo das superfícies geladas desses mundos, chegaríamos muito mais perto, porque há um tremendo aumento de pressão sob todo esse gelo.

Plutão e Caronte, em cores aprimoradas, graças às observações da Ralph/Multispectral Visual Imaging Camera (MVIC) da New Horizons. A superfície congelada de Plutão é apenas parte da história; um oceano de água subterrânea espreita muito abaixo do gelo. Crédito da imagem: NASA/JHUAPL/SwRI.

São necessários 100 quilômetros de atmosfera acima de nós para criar a pressão atmosférica que sentimos ao nível do mar, mas são necessários apenas 10 metros abaixo da água para dobrar essa pressão. Em outro mundo, o gelo pode facilmente ter dezenas de milhares de pés de espessura, gerando tremendas pressões que nos aproximam bastante da fase líquida. Mesmo com os depósitos salgados presentes no gelo, a água líquida ainda não será o resultado sem um fator adicional: uma fonte de calor. Felizmente, cada um desses mundos tem uma fonte de calor: um companheiro em órbita próximo, massivo.

As características geológicas e os dados científicos observados e obtidos pela New Horizons indicam um oceano subterrâneo sob uma vasta e profunda camada de gelo na superfície de Plutão, que circunda todo o planeta. Crédito da imagem: James Keane.

Europa tem Júpiter; Encélado tem Saturno; Plutão tem sua lua vizinha Caronte. Todos os três, com suas combinações de grandes massas e proximidades relativamente próximas, exercem forças de maré muito grandes nesses mundos. Essas forças não causam apenas pequenas deformações em suas camadas externas, mas esticam, comprimem e cortam o interior desses mundos, fazendo com que eles aqueçam. Se você calcular a quantidade de aquecimento das marés presente e adicionar os efeitos da pressão do gelo acima e os sais abaixo das camadas externas de gelo, você finalmente chegou ao que estava procurando: um oceano líquido abaixo a superfície do gelo.

As forças de maré que atuam na lua Enceladus de Saturno são suficientes para separar sua crosta gelada e aquecer o interior, permitindo que o oceano subterrâneo irrompa centenas de quilômetros no espaço. Crédito da imagem: NASA / JPL-Caltech / Cassini.

Europa exibe enormes rachaduras em sua superfície, evidência de onde o gelo se quebrou e a água emergiu no passado. O oceano subterrâneo de Enceladus é o mais espetacular, com erupções gigantes de água líquida saindo da superfície e se estendendo por centenas de quilômetros no espaço. As plumas de Encélado são tão dramáticas que até se tornaram responsáveis ​​pela criação de um dos anéis de Saturno: o anel E. Finalmente, Plutão, talvez na maior surpresa de todas, estava determinado a ter um oceano líquido subterrâneo de água abaixo de sua superfície congelada. E onde há água, calor e produtos químicos dissolvidos, é concebível - embora muito especulativo - que possa haver algo melhorar do que a água sob as superfícies desses mundos também.

Ilustração do interior da lua de Saturno Enceladus mostrando um oceano global de água líquida entre seu núcleo rochoso e crosta gelada. A espessura das camadas mostradas aqui não está em escala. Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech.

Poderia haver vida em um mundo onde a luz do sol nunca penetra no oceano líquido que pode abrigar essa vida? É possível, e desses três mundos, é concebível que Encélado seja o primeiro a ser testado. Seus gêiseres significam que é eminentemente plausível que a luz do sol catalise algumas das moléculas bioquímicas que podem dar origem à vida, antes de cair de volta na superfície gelada da lua. Durante longos períodos de tempo, gelo suficiente pode se acumular sobre eles para que a pressão faça com que o gelo se torne líquido novamente, talvez criando um ciclo de vida a longo prazo neste mundo. Para descobrir, não teríamos que cavar ou lançar uma sonda nesta lua, mas simplesmente fazer uma missão através de um dos gêiseres de Enceladus e coletar uma amostra. A vida além da Terra poderia ser tão facilmente alcançável no Sistema Solar? Talvez, se tivermos sorte, algum dia todos descobriremos.


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Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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