Tanya Ethan: Dari mana asal air cair di planet beku?

Tingginya reflektifitas permukaan bulan es Saturnus, Enceladus , menunjukkan adanya sejumlah besar es yang terus diperbarui, yang tidak diamati pada bulan lain mana pun di tata surya.

Tata surya tidak pernah berhenti memukau kita, dan mungkin salah satu kejutan terbesar adalah kenyataan bahwa Bumi bukan satu-satunya dunia yang permukaannya terdapat air cair. Ya, tentu saja, kadang-kadang sedikit air muncul di Mars, tetapi dunia seperti bulan Jupiter Europa, bulan Saturnus Enceladus dan bahkan Pluto yang jauh memiliki lautan bawah permukaan yang sangat besar, dan pada beberapa dunia ini bahkan ada lebih banyak air daripada di Bumi. Namun, tidak seperti Bumi atau bahkan Mars, dunia-dunia ini sangat jauh dari Matahari dan sangat dingin di sana sehingga bahkan suhu tertinggi di permukaan tidak mencapai titik leleh es. Jadi bagaimana air cair disimpan di dalamnya? Inilah yang ingin diketahui oleh pembaca kami:

Saya membaca tentang bulan Saturnus Enceladus dan para ilmuwan percaya bahwa lautan air cair ada di bawahnya di bawah lapisan esnya. Namun, saya juga membaca bahwa suhu permukaan maksimum adalah -90 ° C. Bagaimana bisa bulan ini memiliki air cair? Pada suhu dan tekanan rendah seperti itu, Enceladus seharusnya hanya memiliki es air dan uap, tetapi bukan air.

Mari kita mulai dengan bagaimana air berperilaku di Bumi kita.


Air dalam tiga kondisi: cair, padat (es), dan gas (uap air tak terlihat di udara). Awan adalah kumpulan tetesan air yang dikondensasi dari uap jenuh di udara.

Di Bumi, air dapat ada di tiga keadaan: padat, cair, dan gas, tergantung pada suhu. Di bawah 0 ° C air membeku dan berubah menjadi es; di atas titik ini dan di bawah 100 ° C air cair; di atas 100 ° C, air ada dalam bentuk uap gas. Begitulah cara kita diajar di sekolah, dan sebagian besar ini benar. Tetapi ada beberapa kondisi di mana air dapat mulai berperilaku sangat berbeda. Misalnya, jika Anda tinggal di tempat yang tinggi, misalnya, di Bogota (Kolombia), Quito (Ekuador), El Alto (Bolivia) - dan lebih dari satu juta orang tinggal di setiap kota ini - maka air Anda mendidih pada suhu yang jauh lebih rendah .


Diagram fase air, menunjukkan berbagai jenis es, keadaan cair dan gas, dan kondisi di mana mereka muncul. Perhatikan bahwa air cair di bawah -22 ° C tidak bisa ada pada tekanan apa pun

Ini karena tekanan memengaruhi titik didih dan titik beku. Di kedalaman ruang, air cair tidak bisa ada tanpa atmosfer; itu bisa ada dalam fase padat atau gas. Tetapi di Bumi, di bawah tekanan yang dikurangi, air mendidih pada suhu yang berkurang, dan jika tekanan yang cukup tinggi diterapkan, es mencair dan menjadi cair. Fakta terakhir sering mengejutkan orang, sampai Anda meminta mereka untuk mengingat tentang skate. Tanpa sepatu luncur es, ini sangat licin dan sulit bagi Anda untuk mengontrol gerakan atau mencapai gesekan; sepatu Anda meluncur di atas permukaan es yang beku. Tetapi dengan sepatu roda, semua tekanan berat Anda terkonsentrasi pada bilah, yang meningkatkan tekanan pada es dan membuatnya meleleh sementara.


Skaters meninggalkan bekas di es, karena skate mereka, meluncur di atas permukaan, memberikan tekanan yang cukup untuk mengubah es menjadi air

Perlu dipertimbangkan satu fakta lagi: titik beku air bervariasi tergantung pada apa yang terlarut di dalamnya. Jika Anda pernah memasukkan vodka ke dalam freezer, Anda tahu bahwa campuran air dan alkohol 40% tidak membeku pada suhu beku air, ia membutuhkan suhu yang jauh lebih rendah. Lautan kita dengan garam yang larut di dalamnya juga memiliki titik beku yang lebih rendah dibandingkan dengan air murni: sekitar -2 ° C pada salinitas sekitar 4%. Oleh karena itu, Anda dapat menurunkan suhu di bawah titik beku air dan tetap menggunakan air cair - tergantung pada apa lagi yang ada di dalamnya. Ini adalah salah satu fitur paling menakjubkan dari Mars, di mana air cair murni seharusnya tidak ada sama sekali.


Aliran air di lereng seperti ini - di lereng selatan kawah di bagian bawah Melass Canyon - mula-mula tumbuh secara bertahap dan kemudian menghilang, mengisi dengan debu dari lanskap Mars. Diketahui bahwa mereka adalah hasil dari aliran air garam cair.

Pada tekanan dan suhu yang ada di permukaan Mars, secara fisik tidak boleh ada air cair. Tetapi karena kandungan garam yang tinggi di beberapa jenis tanah Mars, air, yang mengembun di permukaan, dapat ada dalam fase cair. Air mengalir menuruni lereng dinding kawah adalah bukti langsung pertama dari keberadaan air cair di luar Bumi.

Tetapi jika Anda melihat lebih jauh ke dalam tata surya, lihatlah dunia seperti Eropa, Enceladus, atau bahkan Pluto - di sana kita tidak akan menemukan air di permukaan.


Eropa, salah satu bulan terbesar tata surya, mengorbit di sekitar Jupiter. Di bawah permukaan esnya yang beku ada samudra cair yang dipanaskan oleh kekuatan pasang surut Jupiter

Pemeriksaan dekat dari dunia-dunia ini hanya mengungkapkan es. Ya, ini adalah es air, yang memberi kita harapan, tetapi suhu di dunia-dunia ini, yang terletak beberapa kali lebih jauh dari Bumi dari Matahari, tidak hanya tidak pernah mendekati indikator 0 ° C - yang diperlukan untuk penampakan air cair di permukaan Bumi - tetapi mereka bahkan tidak pernah mendekati suhu yang memungkinkan air cair ada pada tekanan apa pun. Namun, jika di dunia ini kita masuk lebih dalam di bawah permukaan es, kita akan mendekatinya, karena di bawah semua es ini ada tekanan yang sangat besar.


Pluto dan Charon dalam warna yang diedit; Gambar diperoleh dari kamera stasiun antarplanet New Horizons . Permukaan beku Pluto bukanlah segalanya; pada kedalaman yang besar ia memiliki samudera air cair di bawah permukaan.

Dibutuhkan atmosfer setebal 100 km untuk menciptakan tekanan atmosfer yang kita rasakan di permukaan laut - namun, untuk menggandakan tekanan ini, Anda hanya perlu 10 meter air. Di dunia lain, es dapat dengan mudah mencapai ketebalan ribuan meter, dan menciptakan tekanan luar biasa yang membawa kita lebih dekat ke fase cair air. Tetapi bahkan jika ada garam di dalam es, air cair tetap tidak akan muncul tanpa faktor tambahan lain: sumber panas. Untungnya, masing-masing dunia ini memiliki sumber panas: planet pendamping raksasa di dekatnya.


"Dataran Sputnik" di Pluto. Fitur-fitur geologis yang diidentifikasi oleh stasiun New Horizons mengindikasikan keberadaan samudera di bawah permukaan di bawah kerak es yang luas dan dalam di permukaan Pluto, yang memanjang ke seluruh planet katai.

Eropa memiliki Jupiter, Enceladus memiliki Saturnus. Pluto memiliki bulan Charon. Semua trinitas ini, menggabungkan massa besar dan lokasi yang relatif dekat, memiliki efek pasang surut yang sangat serius pada dunia-dunia ini. Dan kekuatan-kekuatan ini tidak hanya menyebabkan deformasi kecil pada lapisan luar - mereka meregangkan, mengompres, dan membagi interior dunia-dunia ini, karena itu mereka memanas. Jika kita memperhitungkan jumlah panas pasang surut dan menambahkan tekanan yang diberikan oleh es dan garam yang ada di bawah lapisan es luar, kita dapat memperoleh yang diinginkan: lautan cair di bawah permukaan es.


Gaya pasang surut yang bekerja di bulan Saturnus Enceladus cukup untuk memecah kerak es dan menghangatkan bagian dalam, yang membuat lautan bawah permukaan memuntahkan air ke angkasa setinggi ratusan kilometer.

Eropa menunjukkan retakan besar di permukaan, bukti saat-saat ketika es pecah di sana dan air muncul di permukaan. Samudra bawah permukaan Enceladus adalah yang paling spektakuler, air cair meletus darinya dan naik ke angkasa ratusan kilometer di atas permukaan. Kolom air Enceladus ini sangat kuat sehingga mereka bertanggung jawab atas pembentukan salah satu cincin Saturnus - cincin E. Akhirnya, di bawah permukaan beku Pluto, yang mungkin ternyata merupakan salah satu kejutan paling tak terduga, ada samudra air yang cair. Dan jika ada air, panas, dan senyawa kimia terlarut, sangat mungkin - meskipun sejauh ini hanya secara hipotesis - bahwa di bawah permukaan dunia ini orang dapat menemukan sesuatu yang lebih menarik daripada air biasa.


Ilustrasi bagian dalam bulan Saturnus Enceladus, yang menunjukkan cairan lautan global, yang terletak di antara inti berbatu dan kerak es. Ketebalan lapisan tidak untuk skala.

Mungkinkah ada kehidupan di dunia di mana sinar matahari tidak pernah mencapai lautan cair yang dapat berfungsi sebagai rumah bagi kehidupan ini? Itu mungkin, dan hipotesis ini berpotensi diuji terlebih dahulu pada Enceladus. Kehadiran geyser memungkinkan sinar matahari mengkatalisasi beberapa molekul biokimia yang dapat membangkitkan kehidupan sebelum kembali jatuh ke permukaan es bulan. Untuk waktu yang cukup lama es dapat menumpuk di atasnya sehingga tekanan menyebabkan es mencair - dan proses ini, pada prinsipnya, dapat menciptakan siklus jangka panjang dari penampilan kehidupan di dunia ini. Dan untuk mengetahuinya, kita tidak perlu menggali dunia ini atau menempelkan probe ke dalamnya - kita hanya perlu mengirim pesawat ruang angkasa melewati salah satu geyser Enceladus dan mengambil sampel darinya. Bisakah kehidupan di luar bumi begitu mudah diakses oleh kita di dalam tata surya? Mungkin jika kita beruntung, suatu hari kita akan mengetahuinya.

Ethan Siegel - astrofisika, sains popularizer, penulis buku Starts With A Bang! Dia menulis buku-buku "Beyond the Galaxy" [ Beyond The Galaxy ], dan "Tracknology: the science of Star Trek" [ Treknology ].

FAQ: jika Semesta berkembang, mengapa kita tidak berkembang ; mengapa usia alam semesta tidak sesuai dengan jari-jari bagian yang diamati