海洋対流とクラスレート解離はエウロパの間欠泉を駆動しますか?

海洋対流とクラスレート解離はエウロパの間欠泉を駆動しますか?
2021年11月30日に提出
エウロパの水蒸気間欠泉は、探査機ガリレオ、ハッブル宇宙望遠鏡、ケック天文台の観測から推測されています。エンケラドスで観察された水が豊富な間欠泉とは異なり、エウロパの間欠泉は断続的な現象であるように見え、水がキロメートルの厚さの氷床を通って散発的に噴火することを可能にする動的メカニズムはよく理解されていません。ここでは、エウロパの間欠泉が、最初に地下海から供給されたCO2の水和物の解離と減圧によって放出されるCO2ガスによって駆動されるという仮説を概説し、探ります。CO2水和物は、密度層化された2層水柱の温度または塩分濃度条件が単一の混合層を生成する対流の発症を可能にするために進化した場合、もっともらしい海洋条件下で上部氷水界に浮力を生じることができることを示す。水和物状態からCO2が放出された後の噴火を定量的に記述するために、地球上の火山マグマ爆発に関する文献から引き出す一次元水力力モデルを拡張します。我々の結果は、十分に高濃度の解約CO2のために、これらの噴火は～700 m／ sの垂直速度を発揮することを示しています。これらの高速性により、エジェクタはエウロパ表面から200km上空に到達し、これらの高高度における水蒸気の断続的な存在を説明します。このプロセスを介して放出された分子は、約10分間、エウロパの大気中に持続し、エウロパ表面上の間欠泉活性が観察可能である可能性のあるタイムスケールを制限する。私たちの提案されたメカニズムは、エウロパの氷殻の厚さdを10 km以下にする必要があります。
統一天文学シソーラスの概念：エウロパ（2189）; 海洋惑星（1151）; 火山活動（2174）

図1.エウロパの海の概略図。左側は、2層の海洋の転覆前を示しています。 O（10）kmの厚さの氷層がO（100）kmの深層水柱の上にあります。
上層の水層の温度はT1、塩分濃度はS1、密度はρ1、下層の水層の温度はT2、塩分濃度はS2、密度はρ2で、二酸化炭素のクラスレート（六角形）があります。
2つの層の間の界面で固められたρcの。たとえば、基礎地熱熱流束の増加は、転覆の条件を生み出します。右側
は、転覆後の密度がρafterである結果の単層海洋を示しています。特定の密度条件では、クラスレートはρc＜ρafterを持ち、水で満たされた亀裂に上昇します
氷層内に存在します。エウロパの表面下約1MPa（約1 km）で、クラスレートが解離し、氷の覆いから噴火を引き起こすCO2ガスが生成されます。で
表面では、真空に近い状態にある液体の水が蒸発し、H2O蒸気とCO2ガスを含む一時的な高高度の間欠泉が生成されます。


図2.水の転倒につながる対流プロセスの概略図
桁。 最初は、2つのよく混合された層（冷たい淡水層と暖かい層、
塩味の層）が存在します。 基礎加熱が増加すると（たとえば）、対流
下層からのプルームが界面に浸透し、
上層。 最終段階では、下層からのプルームは完全に
上層に浸透し、両方の層が混ざり合う。


図3.2層の上部と下部の間の密度の変化Δρ
温度と塩分の関数としての海洋は、
ρの線形近似に基づくレイヤーインターフェイス。 代表者
密度ρ0は1060kgm^-3と見なされます
、α= 7.7×10^-5K^-1、およびβ= 7.7×10^-4（g kg^-1）^-1。 Δρ＞ 0のみが示されています。 の制限された体制があります
2層の海が安定している可能性がある場所で温度と塩分がジャンプします。 どれでも
これによる摂動は転覆を引き起こします。


図4.噴火プロセスのさまざまな段階での氷の亀裂を示す概略図。ステージ（I）では、流体よりも密度が低い浮力のあるクラスレート
それらを取り囲んで、水で満たされた氷の亀裂に上昇します。ステージ（II）では、これらのクラスレートは1 MPaの圧力で、氷の殻の深さ約1kmにあります。その後、クラスレートは解離します
（z = 0で）低圧条件下で、H2Oと溶存CO2の混合物、および過剰なCO2ガスを形成します。ステージ（III）では、二酸化炭素ガスが放出されます
爆発的に、上にある1kmの氷の覆いを吹き飛ばします。ステージ（IV）では、以前に水に溶解していたCO2ガスが溶液から出て、噴火を引き起こします
間欠泉。ガスと液体-水の泡が高速でチューブを上昇し、噴火を引き起こします。圧力p、速度w、密度ρの初期（境界）条件、
液体の水の体積分率fがラベル付けされています。飽和時の溶存蒸気の割合f0は、0.03〜0.04です。すべての変数は無次元化されています


図5.さまざまな初期コンテンツのその後の噴火速度
（青で3％、黒で4％）溶存二酸化炭素。 早い時期に
（氷が除去されてから約2秒後）、噴火速度は十分に大きいです
エウロパの表面約200km上で見つかった水蒸気の推測と一致。