塩が混じってるから凍りにくい？潮汐加熱で発生した熱が氷殻を突き抜けてくる感じ？以下、機械翻訳。
エンケラドスの間欠泉のどろどろした水源
2022年 8月13日提出
エンケラドゥスは、探査機カッシーニによって測定された塩分噴出物と、潮汐加熱によって維持されていると推定される地下海洋のために、宇宙生物学の主要な標的です。海洋から地表への直接接続を介してプルームを調達するには、氷殻全体を破砕する必要があります (～10キロ）。ここでは、より浅いトラの縞模様の割れ目内のせん断加熱が氷殻の部分的な融解を引き起こし、間質液が間欠泉として放出されることを可能にする別のメカニズムを探ります。2 次元多相反応性輸送モデルを使用して、塩辛い氷殻の局所せん断加熱によって生成されるどろどろした領域の熱力学をシミュレートします。私たちのモデルから、フラクチャを囲むシェル内のどろどろしたゾーンの温度、空隙率、溶融速度、および液体量を予測します。の間、間欠泉を維持するのに十分な量の塩水がどろどろしたゾーン内にあることがわかりました。～250kyr、追加の融解なし、および内部融解の速度は、観測された氷の排出速度と一致する可能性があります。ただし、どろどろしたゾーン内の液体ブラインの組成は、部分的に融解するため、海洋とは異なります。間欠泉形成のこのせん断加熱メカニズムは、エンケラドゥスや他の衛星に適用され、氷衛星の地球物理学的プロセスと宇宙生物学的可能性の理解に影響を与えます。
図 1: エンケラドスのトラの縞模様の周りのどろどろした領域のモデル: (左) 組成の概略図
エンケラドゥスの殻の 1 つは、トラの縞模様の破砕に沿った横ずれ摩擦を示しています。 せん断加熱
割れ目は、氷の結晶を取り囲む塩水のどろどろしたゾーンを生成し、間欠泉に液体の供給源を提供します
素材。 色が濃いほど、予想される塩分含有量が高いことに定性的に対応しています (Buffo et al., 2021a)。 （右）
共晶二元合金 (NaCl と H2O など) の温度と温度の関数としての平衡状態図
濃度、Worster (2000) の後。 液相線以上の温度では、混合物は完全に液体です。 の
液相線と固相線の間の領域には、2 相の共存、つまり生理食塩水が存在するどろどろしたゾーンがあります。
液体は、固体の氷マトリックスの隙間を占めています。 共晶点 (Ce、Te) より下では、固体が形成されます。
塩と氷の複合体。
図 2: フラクチャ周辺のどろどろしたゾーンの数値シミュレーション。 (左) シミュレーションを示す概略図
ドメイン、初期条件 (青緑)、境界条件 (紫)、および破砕に沿った加熱 (黒)。
θ は無次元温度、φ は気孔率、C は組成、St = L /(cp∆T) はステファン数です。
(右) 周囲のどろどろしたゾーン (T ≥ Te = 252 K) の発達を示す温度等高線。
破壊 (無次元加熱速度、F = 260)。
図 3: タイガー ストライプ裂け目を囲むどろどろしたゾーンの開始とボリューム: (左) 安定した間質液
固体へのせん断熱流束の関数としての体積とピーク溶融速度: 上部の寸法と
下に無次元。 F ≈ 170 の臨界値では、どろどろしたゾーンが骨折の周りに発生し、
この地表近くの液体の水は、噴流として噴出する可能性があります。 より大きな熱流束の場合、リザーバーとピークの体積
メルトレートの増加。 (右) F = 260 の場合の図 2 の温度等高線を重ね合わせた気孔率 φ。
気孔率は、温度が共晶よりも低いどろどろゾーンの外側ではゼロです。 気孔率
クラックの一部に沿って一体に達します。 ピンチオフの不安定性により、より高い位置にある小さな孤立した領域が生じます。
海氷で観察されるような多孔性 (Golden et al., 1998)。
4 考察と結論
この論文では、エンケラドスの間欠泉のどろどろしたソースの可能性について説明しました。再訪しました
ニモら。 (2007) タイガー ストライプに沿ったせん断加熱がジェット材料の原因であるという考え。
シェルを純粋な氷として扱う代わりに、固体の氷と固体の塩の複合体を考えます。
塩辛い海を凍らせるときに自然に形成されます。理想化されたモデルを使用して、せん断加熱を示しました。
タイガー ストライプに沿った割れ目は、表面温度が低い深さでどろどろしたゾーンを生成する可能性があります。
アブラモフとスペンサー (2009) と共に。乱流の熱放散がフラクチャーを開いたままにしておくとしても、
破壊に沿った乱流熱流束は、周囲のシェルで部分的な溶融を引き起こす可能性があります。どろどろしたゾーン内では、隙間に十分な量の液体があり、
間欠泉物質が観察された。さらに、この原料鹹水は濃縮された間質液を生成するため、
氷殻の再融解から、それは基礎となる海洋化学を代表していない可能性があります.これは持っています
観測されたプルームの特性を内部の液体貯水池にどのように関連付けるかについての基本的な意味。
液滴固化中のシェルおよびイオン分画における低温濃縮プロセスにより、
地下氷殻海のプルーム組成とは大幅に異なるプルーム組成 (Buffo et al., 2021a; FoxPowell and Cousins, 2021)。このような不確実性は、海洋の地球化学と居住可能性の予測に影響を与えます
観測されたプルーム組成に基づいています。そのため、プルームの特性を推定する際には注意が必要です。
内部海洋特性。海から地表への直接的な導管の裏付けとなる証拠がなければ、プルームは
殻内のブラインリザーバーから供給される場合があります。
水文体と周囲の氷殻の地球物理学的歴史と力学。
観察によると、プルームの明るさは位相の遅れとともに日周的に変化することが示されています (Nimmo et al., 2014; Porco
et al., 2014)、これは Hurford et al. と一致しています。 （2007）、つまり、断層にかかる通常の応力が変化するにつれて
潮の干満によってより緊張した状態になると、プルームの明るさも変化します。亀裂が開くので、
より多くの物質が海から上昇し、ジェットとして放出されます。ここで、
貯水池は必ずしも地下海ではなく、氷殻内のどろどろしたゾーンである可能性があります。
表面からリザーバーへの接続は引き続き必要ですが、フラクチャが拡張する必要はありません
氷の殻をずっと通り抜けます。 Nimmo らによって観測された潮汐変動からの遅れ。 (2014)
裂け目の開口部が材料の出現を可能にする限り、このメカニズムと一致している.
ハーフォードらのように。 (2007)モデル。さらに、どろどろゾーンは自然に低粘度を生成します
Bˇehounkov´aらが発見したトラの縞模様の周りの領域。 (2015) は、位相遅れを説明するために使用されます。カイトとルービン
(2016) は、位相遅れが亀裂面を一緒に押して、流体を乱流に上昇させることを提案しました。の
せん断加熱モデルは、Kite and Rubin (2016) メカニズムの下でも機能します。
応力は、破砕の周囲の領域で追加の溶融を促進します。
エンケラドスの南極にあるトラの縞模様の断裂の周りに見られる二重の尾根 (Patterson
et al., 2018) であり、エウロパの多くの場所で、剪断力を示唆する追加の証拠を提供する可能性があります。
亀裂に沿って加熱すると、内部溶融が生じます。カルバーグ等。 (2022) 二重尾根の形成について説明
グリーンランド氷床の表面雪の再凍結からの証拠に基づいて構築された氷衛星について。として
液体の水が地表近くの貯水池で凍結し、膨張して亀裂の側面を垂直に動かします。の
私たちが提案するどろどろしたゾーンは地表近くのソースである可能性があり、二重の尾根はその証拠である可能性があります
一時的な間欠泉に続いて休眠期間が再凍結します。
5 方法
組成的に均一な氷殻の孤立した割れ目を考えます（図1の概略図を参照）
2) 安定した横ずれ摩擦がせん断加熱を引き起こす場所。 Nimmo and Gaidos (2002) に基づいて、
せん断発熱率は、すべり速度 u に応力を掛けたもの、つまり µρighu であると考えてください。
摩擦係数、ρi は氷の密度、g は重力、h は亀裂の深さです。
定応力μρigh.このせん断発熱率は、水圧がゼロの断層の値です (Rice, 2006)。
実際には、断層にはある程度の流体圧力がかかり、せん断加熱は有効法線によって与えられます。
応力 (表土から間隙圧力を差し引いたもの) にすべり速度を乗じた値 (Nielsen et al., 2008)。ただし、ここでは
深度が増加する表土ではなく、一定の表土応力を使用し、計算は行いません。
クラック面の水圧。また、ストレスは一定であると見なします。つまり、時間の経過とともに変化しません。
潮に。熱拡散のタイムスケールは、軌道タイムスケール。これらの単純化を認めて、摩擦は直線的に変化すると仮定します
μ(1 − φ) による固体分率。ここで、空隙率 φ はシミュレーションで解かれる変数です。
断層 fc に沿ったせん断発熱は次のように定義されます。
fc = µ(1 − φ)ρighu. (2)
空隙率が大きくなるにつれて、断層に沿った摩擦が減少する液体によって熱流束が減衰し、熱生産。
パーキンソンらに続いて。 (2020) では、無次元温度 θ を次のように書きます。
θ =T − TeΔT, ΔT = TL(Ci) − Te (3)
ここで、Te は共晶温度、TL(Ci) は初期塩における液相線上の温度です。
濃度Ci.ここでは、理想化された液相線式を使用します
TL = Tm − mC、(4)
ここで、Tm = 273.15 ◦C は純粋な氷の融解温度、C は塩濃度です (図 1 を参照)。
特徴的なシェルの厚さ H = 10 km で高さをスケーリングし、m = で NaCl パラメーターを使用します。
−0.0913 K/ppt および Ci の初期濃度 = 35 ppt、地球の海洋に類似し、範囲内
エンケラドスの噴煙の観測結果 (Postberg et al., 2009)。パラメータの完全な表は、
補足情報。亀裂の深さや組成などのパラメータの選択は、
質的にではなく定量的に結果を出す。
深さと温度のスケールを考慮して、無次元熱の一定部分を書きます
フラクチャへのフラックス F として
F =µρighuH / koΔT、 (5)
ここで、ko は海水の熱伝導率です。完全な無次元熱流束 (つまり、式 2 で割った値)
したがって、koΔT /H によって) は次のように与えられます。
Fc = F(1 − φ)。 (6)
シミュレーションでは、F が主要な制御パラメーターです。すべり速度 u = のパラメータ値を取得
1.8×10−6m・s−1
、摩擦係数 µ = 0.3 (Golding et al., 2013)、氷密度 ρi = 940 kg m^−3
（ゴールデンら、1998)、重力 g = 0.113 m s^−2
、ひび割れの深さ h = 5 km とすると、µρighu = 0.29 W m−2 であり、
F = 260 (補足の表を参照)。ここで、u の値は、Nimmo らによって記述された範囲内にあります。 (2007)
そして、図 2 と 3 で使用する F の値を生成します。
SOFTBALL (Solidification, Flow, and Thermodynamics in a Binary ALLoy) は、オープンソースのリアクティブです
温度、空隙率、塩分、および流体の流れを解決するために使用する輸送コード
進化するどろどろしたゾーンの隙間 (Parkinson et al., 2020)。セットアップは図に概略的に示されています
2. 氷殻の上部に線形化された放射条件を適用し、氷殻に断熱条件を適用します。
ドメインの側面。また、ドメインの底部の共晶温度をシミュレートするように設定します
氷海界面どろどろゾーンの上部。シミュレーションを 2 次元で実行し、
タイガー ストライプ フラクチャに沿った不変の面外寸法。熱流束 fc は、次の方法で実装されます。
ドメインの中心 (幅 .500 m) に局在するガウス熱源と双曲線関数
垂直方向 (減衰 .1000 m)。 SOFTBALL シミュレーションを定常状態で初期化します
導電性温度プロファイルと均一に分布した初期塩濃度 (Ci = 35 ppt)。私たちはその後
シミュレーションを定常状態 (~400 万年) まで実行します。シミュレーションに関する追加の詳細は、補足。
エンケラドスの間欠泉のどろどろした水源
2022年 8月13日提出
エンケラドゥスは、探査機カッシーニによって測定された塩分噴出物と、潮汐加熱によって維持されていると推定される地下海洋のために、宇宙生物学の主要な標的です。海洋から地表への直接接続を介してプルームを調達するには、氷殻全体を破砕する必要があります (～10キロ）。ここでは、より浅いトラの縞模様の割れ目内のせん断加熱が氷殻の部分的な融解を引き起こし、間質液が間欠泉として放出されることを可能にする別のメカニズムを探ります。2 次元多相反応性輸送モデルを使用して、塩辛い氷殻の局所せん断加熱によって生成されるどろどろした領域の熱力学をシミュレートします。私たちのモデルから、フラクチャを囲むシェル内のどろどろしたゾーンの温度、空隙率、溶融速度、および液体量を予測します。の間、間欠泉を維持するのに十分な量の塩水がどろどろしたゾーン内にあることがわかりました。～250kyr、追加の融解なし、および内部融解の速度は、観測された氷の排出速度と一致する可能性があります。ただし、どろどろしたゾーン内の液体ブラインの組成は、部分的に融解するため、海洋とは異なります。間欠泉形成のこのせん断加熱メカニズムは、エンケラドゥスや他の衛星に適用され、氷衛星の地球物理学的プロセスと宇宙生物学的可能性の理解に影響を与えます。
図 1: エンケラドスのトラの縞模様の周りのどろどろした領域のモデル: (左) 組成の概略図
エンケラドゥスの殻の 1 つは、トラの縞模様の破砕に沿った横ずれ摩擦を示しています。 せん断加熱
割れ目は、氷の結晶を取り囲む塩水のどろどろしたゾーンを生成し、間欠泉に液体の供給源を提供します
素材。 色が濃いほど、予想される塩分含有量が高いことに定性的に対応しています (Buffo et al., 2021a)。 （右）
共晶二元合金 (NaCl と H2O など) の温度と温度の関数としての平衡状態図
濃度、Worster (2000) の後。 液相線以上の温度では、混合物は完全に液体です。 の
液相線と固相線の間の領域には、2 相の共存、つまり生理食塩水が存在するどろどろしたゾーンがあります。
液体は、固体の氷マトリックスの隙間を占めています。 共晶点 (Ce、Te) より下では、固体が形成されます。
塩と氷の複合体。
図 2: フラクチャ周辺のどろどろしたゾーンの数値シミュレーション。 (左) シミュレーションを示す概略図
ドメイン、初期条件 (青緑)、境界条件 (紫)、および破砕に沿った加熱 (黒)。
θ は無次元温度、φ は気孔率、C は組成、St = L /(cp∆T) はステファン数です。
(右) 周囲のどろどろしたゾーン (T ≥ Te = 252 K) の発達を示す温度等高線。
破壊 (無次元加熱速度、F = 260)。
図 3: タイガー ストライプ裂け目を囲むどろどろしたゾーンの開始とボリューム: (左) 安定した間質液
固体へのせん断熱流束の関数としての体積とピーク溶融速度: 上部の寸法と
下に無次元。 F ≈ 170 の臨界値では、どろどろしたゾーンが骨折の周りに発生し、
この地表近くの液体の水は、噴流として噴出する可能性があります。 より大きな熱流束の場合、リザーバーとピークの体積
メルトレートの増加。 (右) F = 260 の場合の図 2 の温度等高線を重ね合わせた気孔率 φ。
気孔率は、温度が共晶よりも低いどろどろゾーンの外側ではゼロです。 気孔率
クラックの一部に沿って一体に達します。 ピンチオフの不安定性により、より高い位置にある小さな孤立した領域が生じます。
海氷で観察されるような多孔性 (Golden et al., 1998)。
4 考察と結論
この論文では、エンケラドスの間欠泉のどろどろしたソースの可能性について説明しました。再訪しました
ニモら。 (2007) タイガー ストライプに沿ったせん断加熱がジェット材料の原因であるという考え。
シェルを純粋な氷として扱う代わりに、固体の氷と固体の塩の複合体を考えます。
塩辛い海を凍らせるときに自然に形成されます。理想化されたモデルを使用して、せん断加熱を示しました。
タイガー ストライプに沿った割れ目は、表面温度が低い深さでどろどろしたゾーンを生成する可能性があります。
アブラモフとスペンサー (2009) と共に。乱流の熱放散がフラクチャーを開いたままにしておくとしても、
破壊に沿った乱流熱流束は、周囲のシェルで部分的な溶融を引き起こす可能性があります。どろどろしたゾーン内では、隙間に十分な量の液体があり、
間欠泉物質が観察された。さらに、この原料鹹水は濃縮された間質液を生成するため、
氷殻の再融解から、それは基礎となる海洋化学を代表していない可能性があります.これは持っています
観測されたプルームの特性を内部の液体貯水池にどのように関連付けるかについての基本的な意味。
液滴固化中のシェルおよびイオン分画における低温濃縮プロセスにより、
地下氷殻海のプルーム組成とは大幅に異なるプルーム組成 (Buffo et al., 2021a; FoxPowell and Cousins, 2021)。このような不確実性は、海洋の地球化学と居住可能性の予測に影響を与えます
観測されたプルーム組成に基づいています。そのため、プルームの特性を推定する際には注意が必要です。
内部海洋特性。海から地表への直接的な導管の裏付けとなる証拠がなければ、プルームは
殻内のブラインリザーバーから供給される場合があります。
水文体と周囲の氷殻の地球物理学的歴史と力学。
観察によると、プルームの明るさは位相の遅れとともに日周的に変化することが示されています (Nimmo et al., 2014; Porco
et al., 2014)、これは Hurford et al. と一致しています。 （2007）、つまり、断層にかかる通常の応力が変化するにつれて
潮の干満によってより緊張した状態になると、プルームの明るさも変化します。亀裂が開くので、
より多くの物質が海から上昇し、ジェットとして放出されます。ここで、
貯水池は必ずしも地下海ではなく、氷殻内のどろどろしたゾーンである可能性があります。
表面からリザーバーへの接続は引き続き必要ですが、フラクチャが拡張する必要はありません
氷の殻をずっと通り抜けます。 Nimmo らによって観測された潮汐変動からの遅れ。 (2014)
裂け目の開口部が材料の出現を可能にする限り、このメカニズムと一致している.
ハーフォードらのように。 (2007)モデル。さらに、どろどろゾーンは自然に低粘度を生成します
Bˇehounkov´aらが発見したトラの縞模様の周りの領域。 (2015) は、位相遅れを説明するために使用されます。カイトとルービン
(2016) は、位相遅れが亀裂面を一緒に押して、流体を乱流に上昇させることを提案しました。の
せん断加熱モデルは、Kite and Rubin (2016) メカニズムの下でも機能します。
応力は、破砕の周囲の領域で追加の溶融を促進します。
エンケラドスの南極にあるトラの縞模様の断裂の周りに見られる二重の尾根 (Patterson
et al., 2018) であり、エウロパの多くの場所で、剪断力を示唆する追加の証拠を提供する可能性があります。
亀裂に沿って加熱すると、内部溶融が生じます。カルバーグ等。 (2022) 二重尾根の形成について説明
グリーンランド氷床の表面雪の再凍結からの証拠に基づいて構築された氷衛星について。として
液体の水が地表近くの貯水池で凍結し、膨張して亀裂の側面を垂直に動かします。の
私たちが提案するどろどろしたゾーンは地表近くのソースである可能性があり、二重の尾根はその証拠である可能性があります
一時的な間欠泉に続いて休眠期間が再凍結します。
5 方法
組成的に均一な氷殻の孤立した割れ目を考えます（図1の概略図を参照）
2) 安定した横ずれ摩擦がせん断加熱を引き起こす場所。 Nimmo and Gaidos (2002) に基づいて、
せん断発熱率は、すべり速度 u に応力を掛けたもの、つまり µρighu であると考えてください。
摩擦係数、ρi は氷の密度、g は重力、h は亀裂の深さです。
定応力μρigh.このせん断発熱率は、水圧がゼロの断層の値です (Rice, 2006)。
実際には、断層にはある程度の流体圧力がかかり、せん断加熱は有効法線によって与えられます。
応力 (表土から間隙圧力を差し引いたもの) にすべり速度を乗じた値 (Nielsen et al., 2008)。ただし、ここでは
深度が増加する表土ではなく、一定の表土応力を使用し、計算は行いません。
クラック面の水圧。また、ストレスは一定であると見なします。つまり、時間の経過とともに変化しません。
潮に。熱拡散のタイムスケールは、軌道タイムスケール。これらの単純化を認めて、摩擦は直線的に変化すると仮定します
μ(1 − φ) による固体分率。ここで、空隙率 φ はシミュレーションで解かれる変数です。
断層 fc に沿ったせん断発熱は次のように定義されます。
fc = µ(1 − φ)ρighu. (2)
空隙率が大きくなるにつれて、断層に沿った摩擦が減少する液体によって熱流束が減衰し、熱生産。
パーキンソンらに続いて。 (2020) では、無次元温度 θ を次のように書きます。
θ =T − TeΔT, ΔT = TL(Ci) − Te (3)
ここで、Te は共晶温度、TL(Ci) は初期塩における液相線上の温度です。
濃度Ci.ここでは、理想化された液相線式を使用します
TL = Tm − mC、(4)
ここで、Tm = 273.15 ◦C は純粋な氷の融解温度、C は塩濃度です (図 1 を参照)。
特徴的なシェルの厚さ H = 10 km で高さをスケーリングし、m = で NaCl パラメーターを使用します。
−0.0913 K/ppt および Ci の初期濃度 = 35 ppt、地球の海洋に類似し、範囲内
エンケラドスの噴煙の観測結果 (Postberg et al., 2009)。パラメータの完全な表は、
補足情報。亀裂の深さや組成などのパラメータの選択は、
質的にではなく定量的に結果を出す。
深さと温度のスケールを考慮して、無次元熱の一定部分を書きます
フラクチャへのフラックス F として
F =µρighuH / koΔT、 (5)
ここで、ko は海水の熱伝導率です。完全な無次元熱流束 (つまり、式 2 で割った値)
したがって、koΔT /H によって) は次のように与えられます。
Fc = F(1 − φ)。 (6)
シミュレーションでは、F が主要な制御パラメーターです。すべり速度 u = のパラメータ値を取得
1.8×10−6m・s−1
、摩擦係数 µ = 0.3 (Golding et al., 2013)、氷密度 ρi = 940 kg m^−3
（ゴールデンら、1998)、重力 g = 0.113 m s^−2
、ひび割れの深さ h = 5 km とすると、µρighu = 0.29 W m−2 であり、
F = 260 (補足の表を参照)。ここで、u の値は、Nimmo らによって記述された範囲内にあります。 (2007)
そして、図 2 と 3 で使用する F の値を生成します。
SOFTBALL (Solidification, Flow, and Thermodynamics in a Binary ALLoy) は、オープンソースのリアクティブです
温度、空隙率、塩分、および流体の流れを解決するために使用する輸送コード
進化するどろどろしたゾーンの隙間 (Parkinson et al., 2020)。セットアップは図に概略的に示されています
2. 氷殻の上部に線形化された放射条件を適用し、氷殻に断熱条件を適用します。
ドメインの側面。また、ドメインの底部の共晶温度をシミュレートするように設定します
氷海界面どろどろゾーンの上部。シミュレーションを 2 次元で実行し、
タイガー ストライプ フラクチャに沿った不変の面外寸法。熱流束 fc は、次の方法で実装されます。
ドメインの中心 (幅 .500 m) に局在するガウス熱源と双曲線関数
垂直方向 (減衰 .1000 m)。 SOFTBALL シミュレーションを定常状態で初期化します
導電性温度プロファイルと均一に分布した初期塩濃度 (Ci = 35 ppt)。私たちはその後
シミュレーションを定常状態 (~400 万年) まで実行します。シミュレーションに関する追加の詳細は、補足。
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