Décadas antes de que cualquier sonda sumerja un dedo del pie (y un termómetro) en las aguas de mundos oceánicos distantes, los astrobiólogos de Cornell han ideado una forma novedosa de determinar las temperaturas de los océanos basándose en el espesor de sus capas de hielo, realizando efectivamente la oceanografía desde el espacio.

Los datos disponibles que muestran la variación del espesor del hielo ya permiten una predicción para la parte superior del océano de Encelado, una luna de Saturno, y el estudio orbital planificado por una misión de la NASA de la capa de hielo de Europa debería hacer lo mismo para la luna joviana mucho más grande, mejorando los hallazgos de la misión sobre si podría sustentar la vida.

Los investigadores proponen que un proceso llamado "bombeo de hielo", que han observado debajo de las plataformas de hielo de la Antártida, probablemente da forma a la parte inferior de las capas de hielo de Europa y Encelado, pero también debería operar en Ganímedes y Titán, grandes lunas de Júpiter y Saturno, respectivamente. .

Muestran que los rangos de temperatura donde interactúan el hielo y el océano (regiones importantes donde se pueden intercambiar ingredientes para la vida) se pueden calcular basándose en la pendiente de una capa de hielo y los cambios en el punto de congelación del agua a diferentes presiones y salinidades.

"Si podemos medir la variación del espesor a través de estas capas de hielo, entonces podremos obtener restricciones de temperatura en los océanos, algo que realmente no hay otra manera de lograr sin perforarlos", dijo Britney Schmidt, profesora asociada de astronomía y de Ciencias de la Tierra y la Atmósfera en la Facultad de Artes y Ciencias e Ingeniería de Cornell. "Esto nos da otra herramienta para tratar de descubrir cómo funcionan estos océanos. Y la gran pregunta es:¿existen seres vivos allí o podrían hacerlo?"

Con miembros actuales y anteriores de su Laboratorio de Tecnología y Habitabilidad Planetaria, Schmidt, miembro del equipo científico Europa Clipper de la NASA, es coautora de "Ice-Ocean Interactions on Ocean Worlds Influence Ice Shell Topography", publicado en Revista de Investigación Geofísica:Planetas . El primer autor es Justin Lawrence, académico visitante en el Centro Cornell de Astrofísica y Ciencias Planetarias (A&S) y director de programas de Honeybee Robotics.

En 2019, utilizando el robot Icefin operado de forma remota, el equipo de Schmidt, incluido Lawrence, observó el bombeo de hielo dentro de una grieta debajo de la plataforma de hielo Ross de la Antártida. El hielo meteórico suave y turbio en la base de la plataforma se derritió, produciendo agua más fresca y menos densa que subió por la grieta y se volvió a congelar como hielo marino verde y rugoso. Los resultados se publicaron en Nature Geoscience. y Avances científicos , en artículos dirigidos por Lawrence y Peter Washam, científico investigador del Departamento de Astronomía (A&S).

El proceso se debe al hecho de que el punto de congelación del agua depende negativamente de la presión:a medida que aumentan la profundidad y la presión, el agua debe estar más fría para expandirse y congelarse. En las profundidades, donde la presión es mayor y el punto de congelación más frío, las corrientes oceánicas pueden derretir el hielo más fácilmente. Si el agua helada derretida flota y sube a menores profundidades y a menor presión, se congelará nuevamente. El ciclo redistribuye algo de hielo dentro de una plataforma o caparazón, cambiando su composición y textura.

"En cualquier lugar donde exista esa dinámica, se esperaría que hubiera hielo bombeando", dijo Lawrence. "Se puede predecir lo que sucede en la interfaz hielo-océano basándose en la topografía:dónde el hielo es grueso o fino, y dónde se está congelando o derritiendo".

Los investigadores mapearon rangos de espesor potencial de caparazón, presión y salinidad para mundos oceánicos con gravedad variable y concluyeron que el bombeo de hielo ocurriría en los escenarios más probables, aunque no en todos. Descubrieron que las interacciones entre el hielo y el océano en Europa pueden ser similares a las observadas debajo de la plataforma de hielo de Ross:evidencia, dijo Lawrence, de que tales regiones pueden ser algunas de las más parecidas a la Tierra en mundos extraterrestres.

La sonda Cassini de la NASA generó datos suficientes para predecir un rango de temperatura para el océano de Encelado basándose en la pendiente de su capa de hielo desde los polos al ecuador:-1,095 grados a -1,272 grados Celsius. Conocer las temperaturas ayuda a comprender cómo fluye el calor a través de los océanos y cómo circulan, afectando la habitabilidad.

Los investigadores esperan que el bombeo de hielo sea débil en Encelado, una luna pequeña (del ancho de Arizona) con una topografía espectacular, mientras que en Europa, más grande (casi del tamaño de la luna de la Tierra), predicen que actuará rápidamente para suavizar y aplanar la base de la capa de hielo.

Schmidt dijo que el trabajo demuestra cómo la investigación del cambio climático en la Tierra también puede beneficiar a la ciencia planetaria, una razón por la que la NASA ha apoyado el desarrollo de Icefin.

"Existe una conexión entre la forma de la capa de hielo y la temperatura del océano", afirmó Schmidt. "Esta es una nueva forma de obtener más información a partir de las mediciones de las capas de hielo que esperamos poder obtener para Europa y otros mundos".

Más información: J. D. Lawrence et al, Las interacciones hielo-océano en los mundos oceánicos influyen en la topografía de las capas de hielo, Revista de investigación geofísica:planetas (2024). DOI:10.1029/2023JE008036

Información de la revista: Revista de investigación geofísica:planetas , Geociencias de la naturaleza , Avances científicos

Proporcionado por la Universidad de Cornell