La baja gravedad en los mundos oceánicos podría ayudar a mantener la circulación de agua cálida

Montículos de lava recién colocados (desde 2018) (negros con tinción mineral hidrotermal amarilla) en el suelo del cráter de KSM (enero de 2023). El ROV Jason se prepara para insertar un sensor de temperatura en un respiradero hidrotermal recién formado (área manchada de amarillo, abajo a la derecha) dentro de las lavas recientemente en erupción. (©Institución Oceanográfica Woods Hole)

Un nuevo estudio dirigido por miembros del equipo de UC Santa Cruz utilizó un modelo informático complejo para investigar cómo la influencia de la baja gravedad, como la que se encuentra en los mundos oceánicos de nuestro sistema solar exterior, podría influir en los flujos de agua y el calor debajo de sus fondos marinos.

El trabajo se llevó a cabo como parte de un programa multiinstitucional de la NASA "Exploración de mundos oceánicos", dirigido por el científico principal de la Institución Oceanográfica Woods Hole (WHOI), Chris German. Ha arrojado nueva luz sobre la posibilidad de que se produzca ventilación hidrotermal en el fondo marino, que alberga algunas de las formas de vida más primitivas de la Tierra, en otras lunas del “Mundo Oceánico” que orbitan alrededor de planetas gigantes en el Sistema Solar exterior.

Brazo manipulador del ROV Jason utilizando un muestreador isobárico hermético a gases (IGT) para recolectar fluidos de ventilación calientes (~40 °C) en el monte submarino Kama'ehuakanaloa (KSM), enero de 2023. (©Institución Oceanográfica Woods Hole)

Nuestro sistema solar contiene muchos "mundos oceánicos", planetas y lunas que actualmente tienen, o han tenido en el pasado, un océano líquido. Algunos de estos mundos oceánicos pueden liberar suficiente calor internamente para impulsar la circulación hidrotermal: agua que fluye hacia el fondo marino, circula, se calienta y regresa. En la Tierra, estos flujos pueden transportar calor y sustancias químicas, algunas de las cuales son clave para sustentar los exuberantes ecosistemas del fondo marino. Estos sistemas de roca, calor y fluido fueron descubiertos en el fondo marino de la Tierra en la década de 1970, y muchos científicos piensan que pueden existir en otras partes de nuestro sistema solar; este es un tema de gran interés, especialmente porque existe potencial para sustentar vida. El equipo de investigación de la UC Santa Cruz, en colaboración con colegas del Instituto de Ciencias Espaciales Blue Marble, WHOI y la Universidad de Nantes, ha publicado su nuevo estudio en el Journal of Geophysical Research: Planets, que muestra cómo los sistemas hidrotermales como los que se ven en la Tierra podrían diferir en condiciones de menor gravedad de otros mundos oceánicos.

Mucha gente ha oído hablar de respiraderos de alta temperatura en el fondo marino de la Tierra, a veces llamados "fumadores negros", donde fluidos calentados por encima de los 300 °C (mucho más que el punto de ebullición del agua al nivel del mar en la Tierra) se lanzan hacia el océano, depositando minerales metálicos. y ayudar a sustentar la vida exótica. Si bien estos sistemas de alta temperatura son impulsados principalmente por la actividad volcánica del fondo marino, un volumen mucho mayor de fluido entra y sale del fondo marino de la Tierra a temperaturas más bajas, impulsado principalmente por el enfriamiento "de fondo" del planeta.

"El flujo de agua a través de la ventilación de baja temperatura es equivalente, en términos de la cantidad de agua que se descarga, a todos los ríos y arroyos de la Tierra, y es responsable de aproximadamente una cuarta parte de la pérdida de calor de la Tierra", dijo Andrew Fisher, Autor principal del estudio y profesor distinguido de ciencias terrestres y planetarias (EPS) en UC Santa Cruz. "El volumen total del océano entra y sale del fondo marino aproximadamente cada medio millón de años".

"Muchos estudios previos de la circulación hidrotermal en Europa y Encelado (lunas de Júpiter y Saturno) han considerado fluidos de mayor temperatura, y las caricaturas y otros dibujos a menudo ilustran sistemas en sus fondos marinos que parecen humos negros en la Tierra", explicó Donna Blackman, EPS. Investigador de UC Santa Cruz y tercer autor del nuevo artículo. "Es al menos igual de probable, si no más, que se produzcan flujos de temperatura más baja".

VIDEO

Kristin Dickerson, segunda autora del artículo y Ph.D. candidato en EPS en UC Santa Cruz, explicó la base del estudio: "Observamos un sistema de circulación de agua de mar debajo del fondo marino de la Tierra que ha sido estudiado durante años. Fue descubierto en las profundidades del noroeste del Océano Pacífico, donde el agua fría del fondo fluye a través de un monte submarino (un volcán extinto), viaja 50 km y luego fluye a través de otro monte submarino". Esta agua acumula calor a medida que fluye y sale más caliente que cuando entró, y con una química muy diferente. Los investigadores utilizaron un modelo informático desarrollado para ese sistema terrestre, cambiando el valor de la gravedad y examinando cómo variarían los flujos en una amplia gama de condiciones (como diferentes cantidades de calentamiento, propiedades de las rocas, profundidad de circulación de fluidos).

El flujo de un monte submarino a otro es impulsado por la flotabilidad, porque el agua se vuelve menos densa a medida que se calienta y más densa a medida que se enfría. Las diferencias de densidad crean diferencias en la presión del fluido en la roca y el sistema se sostiene mediante los propios flujos. "Lo llamamos sifón hidrotermal", dijo Fisher, "y puede funcionar siempre que haya un suministro de calor y las propiedades de la roca sigan permitiendo la circulación". Algunos mundos oceánicos se calientan por grandes mareas, que pueden generar calor cuando un mundo oceánico se flexiona durante una órbita excéntrica alrededor de un planeta gigante.

El nuevo artículo muestra que, cuando la gravedad es menor que en la Tierra, hay una fuerza de flotación menor que impulsa el flujo dentro y fuera del fondo marino; esto tiende a ralentizar la circulación del agua y eliminar el calor. Al mismo tiempo, una menor flotabilidad cuando la gravedad es menor también da como resultado una menor mezcla secundaria debajo del fondo marino, un proceso que tiende a consumir energía y, por lo tanto, a reducir el flujo entre afloramientos.

Un resultado interesante de las simulaciones presentadas en el nuevo artículo es que, en condiciones de gravedad muy baja (como la que se encuentra en el fondo marino de Encelado, una pequeña luna de Saturno), la circulación puede continuar con temperaturas bajas a moderadas durante millones o miles de millones de años, es decir, durante toda la vida del Sistema Solar. Esto podría ayudar a explicar cómo los mundos oceánicos pequeños, con una gravedad mucho menor que la de la Tierra, pueden tener sistemas de circulación de fluidos de larga duración debajo de sus fondos marinos: la baja eficiencia de la extracción de calor podría conducir a una longevidad considerable. Además, algunas simulaciones dieron como resultado temperaturas del fluido de las chimeneas de hasta 150 °C, justo por encima de los límites superiores para la vida en la Tierra, a pesar de una circulación relativamente poco profunda debajo del fondo marino. En general, estas simulaciones muestran que la baja gravedad cambia significativamente las temperaturas y los caudales y, por lo tanto, probablemente afecte la química de los fluidos que se descargan en comparación con lo que se encontraría en la Tierra.

Los científicos planetarios están buscando observaciones de misiones satelitales para ayudar a determinar qué tipos de condiciones están presentes o son posibles en los mundos oceánicos. El equipo autor del nuevo artículo asistirá al lanzamiento de la nave espacial Europa Clipper en Cabo Cañaveral, Florida, a finales de este otoño, junto con colegas que colaboran en el proyecto Exploring Ocean Worlds.

Según German de WHOI, que también es coautor del artículo, “Un resultado significativo de este estudio es que sugiere que los sistemas hidrotermales de baja temperatura (no demasiado calientes para la vida) podrían haberse mantenido en mundos oceánicos más allá de la Tierra en escalas de tiempo mucho más largas. más tiempo del que tardó para que una vida similar se estableciera por primera vez en la Tierra. Por lo tanto, los mundos oceánicos en el sistema solar exterior también podrían ser habitables y, tal vez, albergar vida”.