Vnější sluneční soustava je říší ledových těles – trpasličích planet i satelitů ledových obrů. Už od průkopnické mise sond Voyager v 70. letech víme, že nejde jen o mrtvé ledové koule, ale že drtivá většina z nich nese stopy vnitřní geologické aktivity přetvářející jejich povrch.

Vnitřní činnost ovšem vyžaduje natavení nitra příslušného tělesa – změknutí a roztavení hornin anebo ledů. Pak může docházet k výronům lávy (v prvním případě) či kryolávy (v případě druhém) na povrch, či k přetváření povrchu jinými způsoby, například tektonicky. Jenže produkce taveniny v obou případech vyžaduje enormní množství energie.

Robert H. Tyler (NASA/GSFC)

Radioaktivní ohřev a slapy

V nitru všech těles Sluneční soustavy vzniká teplo rozpadem radionuklidů (uranu, thoria, radioaktivního draslíku a dalších). V případě Země je právě radiogenní teplo, společně s teplem, které vzniklo při formování planety, hlavním hybatelem všech sopečných i tektonických procesů. To ale platí především proto, že Země je velká (je největším pevným tělesem Sluneční soustavy). U menších těles je situace mnohem nepříznivější. Koncentrace radionuklidů je sice v celé Sluneční soustavě podobná, tudíž i absolutní množství produkovaného tepla je na jednotku hmotnosti všude zhruba stejné, ovšem méně hmotná tělesa mají relativně mnohem větší povrch, kterým toto teplo ztrácejí. Největší z ledových satelitů, Ganymed, má 2,5 % hmotnosti Země, ale 17 % jejího povrchu, takže na každý kilogram hmotnosti, v němž může docházet k tvorbě tepla, připadá skoro 7× větší plocha, skrze niž se toto teplo ztrácí. V případě miniaturního Enceladu je povrch vzhledem ke hmotnosti dokonce 87× větší! Už jen z těchto čísel je zřejmé, že ledové měsíce musely velmi rychle ztratit veškeré prvotní teplo, a ani radioaktivní nuklidy nemohou jejich nitra nijak dramaticky ohřát – u těch větších by sice jejich energie postačila k udržení kapalné vody pod silnou ledovou kůrou, avšak rozhodně ne k výraznější geologické činnosti.

My ovšem vidíme opak – ledová tělesa jsou neobyčejně živá, a celá řada z nich (Enceladus, Europa...) vykazuje míru geologické činnosti, která nijak nezaostává za naší planetou nebo ji i předčí. Měsíce obřích planet totiž mohou disponovat jiným zdrojem energie, kterým je slapový ohřev. Slapové síly působí na jakýkoli satelit, a deformují jeho tvar do podoby protáhlého elipsoidu. Pokud takový měsíc obíhá po dráze, která není dokonale kruhová, nebo je jeho rotační osa ukloněna vůči rovině oběhu, je v různých částech své orbity deformován různě (mění se velikost i směr jeho protažení). Změny tvaru tělesa jsou provázeny vnitřním třením, a mechanická energie slapů se tak přeměňuje na teplo.

Zvětšit obrázek

Ačkoli je Enceladus Mimasovým sousedem, skrývá pod svými ledovci bohaté zdroje vnitřního tepla a kapalný oceán (NASA/JPL)

Potud je všechno jasné. Jenže mezi pozorováním a teorií stále zůstávají zásadní nesoulady. Mnohde totiž vidíme tělesa produkující ještě mnohem více tepla, než kolik předpovídají standardní modely slapového ohřevu. Týká se to i vůbec nejvulkaničtějšího měsíce Io, a vůbec nejkřiklavěji miniaturního Enceladu, jehož tepelná produkce změřená sondou Cassini předčila i ty nejdivočejší fantazie. Zoufalství frustrovaných geofyziků potom vede k představám, že tato tělesa ve svém nitru dlouhodobě střádala teplo, jen aby ho pak mohla před našima očima marnotratně uvolňovat a zlobit teoretiky.

Nedalo by se to všechno vysvětlit jednodušeji? Možná ano. A právě o to se pokouší Robert H. Tyler, působící v Goddardově středisku kosmických letů NASA, a také na Marylandské universitě. Nedávno navštívil také Prahu, kde jsem měl možnost shlédnout jeho fascinující přednášku na Katedře geofyziky MFF UK, věnovanou právě tomuto tématu.

Na stejné frekvenci

Jako oceánograf a odborník na dynamiku kapalin – zejména přílivové jevy na naší planetě – se Tyler rozhodl posvítit si i na přílivy mimozemské, jejichž problematice se věnuje v sérii článků již od roku 2008. S překvapením přitom zjistil, že dosavadní práce studující slapové ohřívání mimozemských oceánů často ignorovaly jednu důležitou skutečnost: totiž ony oceány. Geologové se soustředili především na teplo vznikající deformací horninových jader těchto těles nebo jejich ledových slupek, chování kapaliny ale často zanedbávali. Z příkladu Země ale víme, že slapy působí mnohem silněji na hydrosféru než skalnaté těleso planety, a že uvolňování slapové energie v oceánu rozhodně zanedbatelné není. Pohybová energie vody se mění v teplo vnitřním třením, turbulentním prouděním i interakcí s mořským dnem.

Oceán se také chová mnohem dynamičtěji než pevné těleso. Koneckonců výška oceánského přílivu na Zemi by měla být pouhých 15 cm, z praxe ale víme, že mnohde nabývá hodnot mnohem vyšších. Určité konfigurace pobřeží totiž mohou zafungovat jako rezonátor vyladěný na frekvenci přílivů a odlivů, slapové vlny se v nich potom mnohonásobně zesilují. V zálivu Fundy tak rozdíl mezi přílivem a odlivem činí celých 16 metrů!

Není to ale jen lokální kuriozita. I v globálním pohledu mohou být rezonanční vztahy klíčové. Rozptyl slapové energie (přeměna kinetické energie v teplo) v oceánech Země se děje na úkor orbitální energie Měsíce, který se v důsledku toho od naší planety vzdaluje. Vidíme zde ale paradox: v daleké geologické minulosti byl Měsíc k Zemi blíže (a tedy nutně působil většími slapovými silami) avšak vzdaloval se pomaleji, což ukazuje, že uvolňování slapového tepla bylo ve skutečnosti nižší. Tyler tento zdánlivý paradox vysvětluje tím, že změny v oběžné době Měsíce, rotační periodě Země (a možná i rozložení pevnin?) posouvají pozemský jako celek oceán blíže rezonančnímu stavu, a uvolňování energie se tak se vzdalováním Měsíce paradoxně zvyšuje.

Robert Tyler zjistil, že také oceány skryté pod ledovými slupkami se mohou dostat do rezonančního vztahu s periodickým působením slapů. V takové situaci dochází k masivní produkci tepla v kapalné vrstvě, která více než dostačuje nejen k udržení vody v kapalném stavu, ale také k vysvětlení geologické činnosti pozorované na nejrůznějších mimozemských tělesech, včetně Enceladu, který se konvenčním vysvětlením vzpíral.

Saturnův Mimas je ukázkou tělesa, které se zdá být geologicky zcela mrtvé (NASA/JPL)

To, zda se oceán dostane do rezonance, záleží především na jeho hloubce a jeho kvalitě coby oscilátoru (faktor kvality Q udává, jak dlouho by „rozkmitaný“ oceán udržel oscilující pohyb, než by došlo k jeho utlumení). Na těchto parametrech záleží, zda se oceán dostane do rezonance s periodicky působícími slapovými silami (opakujícími se s každým oběhem příslušného měsíce) nebo nikoli. A tady se právě skrývá krása tohoto modelu. Pokud před sebou máme podpovrchový oceán chladnoucího tělesa, dojde nevyhnutelně k jeho postupnému zamrzání. Led sílí, a hloubka kapalné vrstvy naopak klesá, a s ní se mění i rezonanční frekvence oceánu. Během tohoto procesu se oceán s vysokou pravděpodobností dříve či později „vyladí“ tak, že se v něm rezonančními procesy začne uvolňovat více tepla. Jeho zamrzání se tím zastaví. Je nastolena rovnováha. Taková hydrosféra se potom chová jako termostat, regulující množství slapového tepla tak, aby udržovalo konstantní hloubku oceánu. Je potom téměř nemožné, aby tento oceán zamrzl – alespoň dokud slapové působení zcela nevymizí.

Ve sluneční soustavě i jinde

Modely slapové rezonance se dají dobře uplatnit i v případě Io, ačkoli tento Jupiterův měsíc je zcela suchý a ledovou či vodní vrstvu bychom na něm hledali marně. I to koneckonců Tylerovy modely vysvětlují – pokud měla Io oceán podobně jako Europa, slapové jevy jej udržovaly natolik teplý, že na jeho povrchu téměř zcela chyběla ochranná ledová slupka, a voda mohla rychle zmizet do vesmíru. To ale neznamenalo konec slapových jevů, jen se přesunuly do jiného oceánu, totiž oceánu magmatu v nitru tohoto tělesa. Přílivové proudy v roztavené hornině vysvětlují rozložení vulkánů na tělese Io mnohem lépe než modely postavené na předpokladu pevného, či jen lehce nataveného tělesa.

Poznámka redakce: Autor článku vydává vlastní stránky.

Problém pro modelování slapů v mnoha případech představuje skutečnost, že u řady těles přesně neznáme sklon jejich rotační osy (oblikvitu), která je přitom zcela zásadní pro posouzení míry ohřevu. Týká se to Saturnova Enceladu a Titanu, ale zejména Neptunova Tritonu. Triton má totiž zanedbatelnou výstřednost, je to proto právě sklon osy, který rozhoduje, zda bude ohříván zanedbatelně, nebo naopak dramaticky (to druhé se zdá nepochybně pravděpodobnější, vzhledem k jeho mladému povrchu!). Více by snad mohly napovědět jen budoucí mise k tomuto tělesu, těch se ale bohužel jen tak nedočkáme.

Zatímco dříve bylo problémem vysvětlit existenci těles geologicky živých, s modelem dynamických slapů se dostáváme do situace téměř opačné. Obtížně vysvětlitelnou anomálií se tu stává Mimas. Ačkoli tento Saturnův měsíc splňuje všechny předpoklady pro vysokou produkci tepla (dokonce ještě ve větší míře, než jeho soused Enceladus), jeho povrch je geologicky mrtvý, přetvářený jen krátery. Vysvětlit by to snad šlo jen v případě, že Mimas se od počátku zformoval jako tuhé těleso bez oceánu, na němž se slapy nemohly významněji uplatnit... Anebo snad oceán má, jen se z nějakého důvodu nijak neprojevuje navenek? To bohužel netušíme.

Existence slapových jevů v kapalných oceánech má významné důsledky i pro „jednoduché“ soustavy dvou těles (např. obří planeta s jediným měsícem). Modely uvažující slapový rozptyl v pevném tělese počítají s tím, že takový měsíc, pokud je na výstředné orbitě, bude ohříván velmi silně. Produkce tepla ale povede k rychlému zakulacení oběžné dráhy, a s tím slapové síly rychle klesnou k nule a těleso zamrzne. (V případě složitějších soustav více těles, jako jsou systémy Jupiterových a Saturnových měsíců, mohou cirkularizaci oběžných drah bránit jejich vzájemné interakce.) Oceánské slapy ovšem umožňují nakládat s dostupnou energií mnohem hospodárněji – slapová energie se totiž rozptyluje právě v takové míře, aby udržela oceán kapalný a v rovnovážném stavu (tak, aby byl blízko rezonanční frekvence) a cirkularizace orbity se tak děje pomaleji. To by znamenalo mnohem stabilnější a dlouhodobější existenci oceánu.

Magnetometry s sebou!

Tyler studoval také způsoby, jakými by bylo možné přílivové proudy uvnitř ledových měsíců studovat. Vedle výškoměrů (zkoumajících změny tvaru tělesa během jeho oběhu kolem planety) by se tu dobře uplatnily i magnetometry. Již mise Galileo ukázala, že magnetometrická data jsou neobyčejně užitečná pro detekci ukrytých oceánů, kromě samotné detekce ale mohou poskytnout i detailnější obrázek. Proudění slané vody je totiž provázeno elektrickým proudem, který se navenek projevuje slabým magnetickým polem. Sonda na orbitě např. Europy by podle míry těchto změn mohla přímo zkoumat pohyby oceánských mas.

Tylerovy výzkumy ukazují, že kapalné oceány ukryté pod ledovci mohou být ve Sluneční soustavě i celé Galaxii mnohem obecnější, než jsme si představovali, a také že představují mnohem dlouhodobější a stabilnější prostředí, než jak se zdálo na základě jednodušších geofyzikálních modelů. Co to znamená z hlediska existence života? To už nám teoretické modely neprozradí, to už ukáže jedině přímý průzkum. Copak existuje lepší rada pro hledání mimozemského života, než „následujte vodu“?

Poděkování

Článek vznikl s podporou Katedry geofyziky MFF UK.

Odkazy

Tyler, R. H. (2008). Strong ocean tidal flow and heating on moons of the outer planets. Nature, 456(7223), 770-772.

Tyler, R. H. (2011). Magnetic remote sensing of Europa’s ocean tides. Icarus, 211(1), 906-908.

Tyler, R. (2010). Water worlds and oceans may be common in the universe. Journal of Cosmology, 5, 959-970.

Tyler, R. (2014). Comparative estimates of the heat generated by ocean tides on icy satellites in the outer Solar System. Icarus, 243, 358-385.