Czas czytania: 11 minut
Jest to artykuł z kategorii księżyce, obejmującej księżyce planet naszego Układu Słonecznego.
Zima co prawda, już nas opuściła zarówno kalendarzowo jak i astronomicznie, ale dzisiaj przenosimy się na pewien skuty lodem księżyc 🥶
Księżyc ten od dawna wzbudza emocje. Jest przedstawiany jako potencjalnie, jedno z najlepszych miejsc do poszukiwania pozaziemskiego życia w Układzie Słonecznym. Mowa tu o Europie – najmniejszym z księżyców galileuszowych Jowisza.
Gdy przyjrzymy mu się bliżej, zaczynamy dostrzegać, że kwestia życia na tym księżycu, może być nieco problematyczna. Wiele telewizyjnych programów popularnonaukowych, przedstawiało wizje bujnego życia w zimnych, ciemnych wodach, głęboko pod lodową skorupą. Nie jest to jednak takie proste, a im więcej wiemy tym mniej jest to oczywiste.
Europa jest mniejsza od naszego Księżyca. Jej promień to ok. 89.9% jego promienia. Jest ona również od niego mniej masywna. Jej masa to zaledwie ok. 65.4% masy naszego naturalnego satelity. Jest od również mniej gęsta, ale tutaj wartości nie są już tak intuicyjne.
Gęstość Księżyca wynosi ok. 3.3 g/cm3, gęstość Europy to ok. 3.0 g/cm3. Różnica jest więc niewielka. To oznacza, że Europa ma duży udział skał w swoim składzie i że jest dość mocno „sprasowana” grawitacyjnie – kolokwialnie mówiąc: ubita.
(Na marginesie dodam tylko, że gęstość Ziemi jest najwyższa ze wszystkich planet Układu Słonecznego – wliczając w to również Merkurego! Udział wody w globalnej strukturze Ziemi jest niewielki: to tylko 1/4000 jej masy!)
Wracając do Europy, duża gęstość, a co za tym idzie duży udział skał w jej budowie jest akurat argumentem za środowiskiem wspierającym życie. Dobrze, jeżeli istnieje podłoże, swoista mata dla reakcji chemicznych. Jednak samo to nie wystarczy, musi być również dostęp do energii napędzającej te reakcje.
Współcześnie nie ma zgody co do tego, gdzie powstało życie na Ziemi, czy były to głębie przy kominach hydrotermalnych, czy płycizny napędzane energią przypływów i odpływów. Mogły to być również rozlewiska/ źródła geotermalne. Mógł to być proces wieloetapowy: najpierw jedna chemia w środowisku hydrotermalnym wytworzyła pewne cegiełki, gdzie potem nastąpiła koncentracja i polimeryzacja w środowisku płytkim lub okresowo wysychającym. Jest to bardzo trudne i złożone zagadnienie obejmujące np. wpływ promieniowania UV, burze z piorunami itd.
Nie będę tu rozstrzygał i omawiał koncepcji dotyczących powstania życia na Ziemi. Chcę jednak przez to pokazać, że proces powstania życia jest dużo bardziej złożony niż jedynie obecność ciekłej wody i skał.
Przy Europie jest to poważny kłopot. Nie ma tam bowiem płycizn, które wspierałyby naturalną chemię syntezy złożonych polimerów.
Niedawno pojawiła się praca naukowa https://www.nature.com/articles/s41467-025-67151-3 stawiająca bardzo poważną wątpliwość co do istnienia uskoków w skalnym podłożu Europy, a co za tym idzie – istnienia systemów hydrotermalnych. Praca ta sugeruje cichy, ciemny świat. Głównym czynnikiem wpływającym na potencjalną aktywność geologiczną Europy jest bliskość Jowisza i jego oddziaływanie grawitacyjne, ale nie tylko. Ciekawą możliwością jest np. absorpcja wody przez skały w dużych ilościach – co prowadziłoby do wydzielania energii. Innym czynnikiem są rezonanse orbitalne z Io. Praca uwzględnia mechanikę orbitalną Europy oraz jak zmiany jej położenia wobec Jowisza wpływają na jej geologię.
Istnieje możliwość, że skaliste jądro lodowego księżyca wciąż utrzymuje jakąś ilość promieniowania cieplnego.
Ryzyko braku występowania uskoków przy dnie, a co za tym idzie braku energii potrzebnej do zajścia reakcji chemicznych niezbędnych dla życia, to jedynie mały kamyczek do ogródka hipotezy o życiu na Europie.
Czynniki
Istnieje szereg innych zagadnień, które będą miały kolosalny wpływ na obecność (lub nie) oraz potencjalną formę życia na Europie.
Są to (przykładowo, lista w żadnym stopniu nie jest wyczerpana):
– ciśnienie;
– temperatura;
– formy lodu;
– odmiana wody(stosunek izotopów wodoru i tlenu);
– pH wody;
– stężenie i rodzaj substancji rozpuszczonych w wodzie (np. różnych soli);
– wspomniana już dostępność energii;
– warunki stricte fizyczne (np. obecność pływów, prądów morskich, konwekcji itp.);
– oddziaływanie pola magnetycznego potężnego Jowisza i wpływ naładowanych cząstek;
– stopień jonizacji;
i wiele, wiele innych.
Jak widzimy sam entuzjazm, co do występowania ciekłej wody, to zdecydowanie za mało. Musimy mieć to na uwadze szukając potencjalnego życia poza Układem Słonecznym.
Ciśnienie
Jednym z pierwszych czynników jaki się narzuca to ciśnienie. Na ten temat możemy powiedzieć całkiem sporo. NASA niedawno opublikowała wyniki badań Europy przez radiometr mikrofalowy sondy JUNO, orbitującej wokół Jowisza. Pomiar, o którym mowa został przeprowadzony, gdy sonda znajdowała się ok. 360km nad pokrywą lodową Europy https://www.nasa.gov/missions/juno/nasas-juno-measures-thickness-of-europas-ice-shell/.
Sonda zbadała, jak zmienia się gradient temperatury wraz z głębokością (zmienia się wtedy „jasność” w różnych częstotliwościach fal) co pozwala nam oszacować grubość lodu. Najniższe częstotliwości jakimi dysponowała sonda w tym pomiarze, wnikały najgłębiej (były to zarazem najcieplejsze obszary).
Oszacowanie grubości lodu przez sondę wyniosło ok. 29km, uczciwie trzeba jednak dodać, że z dość dużą niepewnością wynoszącą +/- 10km. Dobrą wiadomością jest to, że sonda zebrała dane mniej więcej dla połowy pokrywy lodowej Europy – co jest dość znaczną statystyczną próbą. Niepewność oszacowania grubości lodu wynika głównie z dwóch rzeczy:
– braku dokładnych informacji o zasoleniu (które znacznie wpływa na grubość pokrywy lodowej);
– wysokiej niepewności co do występowania i przebiegu prądów konwekcyjnych cieplejszych wód głębinowych.
Temperatura na styku lód-woda wynosiłaby ok. od 0 do -5°C ALE przy uwzględnieniu zasolenia jak ziemskiego oceanu: 35 g/kg NaCl – czyli średniego zasolenia wszystkich oceanów na Ziemi wynoszącego ok. 3,5% (a to jest wysoce niepewne).
Przyjmijmy średnią globalną grubość lodu dla tego księżyca wynoszącą 29km. To umożliwia nam już dość precyzyjne określenie średniego ciśnienia na styku woda-lód. Uwzględniając grawitację Europy (jej przyspieszenie grawitacyjne) 1,315 m/s2 – znacznie mniejsze niż ziemskie 9,80 m/s2 i gęstość standardowego, czystego lodu (0,917g/cm3 = 917 kg/m3) możemy wyliczyć ciśnienie. Z obliczeń wychodzi, że ciśnienie na granicy lód-woda (zakładając czysty, standardowy lód) wynosi ok. 350barów. Przyrównując to do ziemskiego oceanu, takie ciśnienie panuje na głębokości 3468m (ok. 3,5km). To dużo, ale jeszcze „w granicach rozsądku”. Na Ziemi życie było filmowane nawet do głębokości ok. 9km. Problem polega na tym, że jest to ciśnienie na styku woda-lód.
Sytuacja komplikuje się w głębinach. Nie wiemy jaka może być głębokość domniemanego oceanu na Europie i gdzie „zaczyna się” skalne dno. Szacunki są dość rozbieżne w różnych wariantach (od 75km do nawet 175km w wariantach skrajnych). Przyjmując najgłębsze warianty, czyli głębokość 150km i 175km sprawa się komplikuje.
Zakładając głębokość 150km i że to tam jest skalne dno, ciśnienie będzie wynosić ok. 2270 barów (ok. 227 MPa – megapaskali). To znacznie więcej niż w najgłębszym punkcie Rowu Mariańskiego (ok. 11km) na Ziemi – 1107,09 barów. Podłoże skalne może być więc w strefie „zaporowej” dla życia jakie znamy. Na Ziemi nie ma tak skrajnych warunków ciśnienia dla życia. Tak ekstremalne ciśnienie przy podłożu skalnym może przekreślać jakiekolwiek dywagacje, aczkolwiek dno, może być nie równe. Głębokość może nie być stała i sięgać bardziej „rozsądnych” wartości i ciśnień.
Dodatkowo sytuację komplikuje fakt, że jeśli temperatura i zasolenie są odpowiednie, to przy takim ciśnieniu może wytworzyć się warstwa lodu III (odmiana lodu polimorficznego inna od standardowej na Ziemi odmiany Ih). Wszystko zależy jednak od tego, czy nie będzie ogrzewania „od dołu”, jaka jest cyrkulacja wody, jakie jest zasolenie na poszczególnych warstwach, stopień mieszania i potencjalne różnice w głębokościach i ciśnieniach.
Wtedy musimy wrócić do początku rozważań.
Jeśli na dnie wytworzyła się warstwa lodu III (tak jak wskazują niektóre modele, ale nie ma co do tego zgody), to wówczas mamy sytuację, że nasz ocean na Europie będzie ograniczony dwiema warstwami lodu: od góry i od dołu, nie mając kontaktu ze skalnym podłożem, a co za tym idzie nie będzie miał dostępu do składników odżywczych i energii. Ale tu ważną rolę odgrywa stopień rozpuszczonych związków chemicznych w wodzie, które mogą sprawić, że woda będzie ciekła tam, gdzie teoretycznie powinna być w fazie stałej.
pH
Jednym z bardzo ważnych zagadnień dotyczących domniemanego oceanu na Europie jest pH tego oceanu.
Chemicznie czysta woda jest neutralna, a jej pH wynosi 7. Średnia globalna ziemskiego „Wszechoceanu” wynosi 8,1 pH – aczkolwiek jest to dzisiejsza wartość, która jest efektem dużego problemu tzw. zakwaszenia oceanów, groźnego dla morskich organizmów żywych. Dawniej pH oceanów wynosiło 8,2. Ale to temat na inne rozważania.
Ogólnie pH ziemskich oceanów jest delikatnie zasadowe (alkaliczne). Główny udział rozpuszczonych związków chemicznych mają sole, dokładnie chlorki: sodu („zwykła” sól) i magnezu. Większą część reszty stanowią siarczany (głównie magnezu, wapnia i potasu).
Modele geochemiczne dla oceanu Europy są bardzo, ale to bardzo rozbieżne. Powszechnie ZAKŁADANA wartość to 8-9 pH. Założenia te mają co prawda oparcie w badaniach, symulacjach, a nawet pewnych pomiarach, ale póki co nie są to twarde dane. Pod kątem zasadowym pojawiają się analizy uwzględniające szersze „widełki”, od 8.5 do nawet 11pH, ale to raczej wartość skrajna, nie przyjmowana powszechnie.
Pojawiają się jednak nowsze badania, dotyczące rozpuszczonego CO2 w oceanie Europy. Jeżeli są one słuszne, to pH tego oceanu staje się łagodnie kwaśne – nie zasadowe. Przy tym wariancie, widełki pH obejmują zakres 5-6, bardziej zachowawcze modele nawet 4-6pH. Istnieją bardziej radykalne modele, ale są one raczej dość niszowe i skrajne.
Kwestia pH jest też zależna od kierunku „migracji” CO2. Od oceanu do lodu, czy odwrotnie, a także kontaktu (bądź nie) z podłożem skalnym. Kwestie te nie są rozstrzygnięte.
Woda, ale jaka?
Istnieją jeszcze inne nierozstrzygnięte kwestie, takie jak np. stosunki izotopowe pierwiastków, zwłaszcza stosunek deuteru do protu („standardowy” wodór). Nie jest pewne jakie założenia przyjąć. Istnieją spekulacyjne modele, które zakładają stosunek izotopowy wodoru taki sam jak na Ziemi lub nieco większy.
Istnieje jednak możliwość, że stosunek ten będzie znacznie mniejszy. Jowisz i Saturn np. mają stosunek deuteru do protu znacznie mniejszy niż Ziemia. Europa mogła „odziedziczyć” skład izotopowy po obiekcie macierzystym, ale nie jest to regułą. Przykładem jest np. Enceladus, którego rozkład izotopowy wodoru w ogóle nie pokrywa się z Saturnem. Do tego dochodzą również rozkłady izotopowe tlenu.
Jeszcze inną kwestią jest lepkość roztworu wodnego oceanu Europu. Czy jest to „zwykła” ciecz czy raczej kriomagma o wysokiej lepkości. Tutaj odpowiedź brzmi: to zależy. Globalnie jest to prawdopodobnie zwykła ciecz, ale lokalnie np. w kieszeniach lodowych, kanałach w skorupie lodowej, itp. mogą pojawiać się bardzo lepkie zawiesiny z bardzo wysokimi stężeniami soli, kryształków lodu i/lub pęcherzami gazów. Na Europie mogą występować kieszenie kriomagmy o zupełnie innych właściwościach fizykochemicznych niż „standardowa” woda, ale występuje ona raczej lokalnie.
Podsumowując
Na chwilę obecną nie mamy pewności co do charakteru oceanu na Europie. Nie wiemy, czy ocean ten ma dostęp do związków chemicznych (a jeśli tak, to jakie to związki) lub do energii niezbędnej do zachodzenia reakcji chemicznych sprzyjających życiu jakie znamy. Nie wiemy nawet czy ocean ten ma kontakt ze skalnym podłożem. Istnieje ryzyko, że jest zamknięty pomiędzy dwiema różnymi warstwami lodów, co tworzy problem braku „maty biologicznej” i podłoża, gdzie potencjalne reakcje chemiczne mogłyby zachodzić. Są jednak koncepcje mówiące o tym, że lód w pewnych warunkach, może pełnić rolę maty biologicznej. Zaporowa w tym względzie może być również głębokość i panujące ekstremalne ciśnienie.
Nie znamy dokładnego procentowego rozkładu rozpuszczonych związków chemicznych w tamtejszym oceanie (głównie soli). Czy są to bardzo duże stężenia, czy jednak zbliżone do poziomu ziemskiego. Istnieją na ten temat pewne modele, którym kiedyś pewnie poświęcę chwilę uwagi 😉
Nie wiemy jakie jest pH tego oceanu, co ma ogromne znaczenie dla modelu potencjalnego życia. Jeśli wedle najnowszych modeli, jest ono bardziej kwaśne niż zasadowe, znacząco odróżnia go od ziemskich oceanów.
Nie wiemy jaki jest stosunek izotopowy wodoru i tlenu na Europie. Stosunek ten miałby przełożenie na różny udział izotopologów wody (czyli ten sam związek chemiczny, ale zawierający różne izotopy pierwiastków) w ogólnej objętości oceanu.
Nie znamy również mechanizmów kriowulkanizmu na Europie oraz skali jego występowania.
Temat w żadnym wypadku nie jest wyczerpany i z pewnością będę do niego wracać. To raczej ogólne, zbiorcze przedstawienie podstawowej problematyki. Myślę jednak, że co do życia na Europie trzeba zachować znacznie bardziej stonowane emocje, niż wynika to z przedstawienia tematu w niektórych mediach.
Na szczęście zmierza do niej właśnie dedykowana sonda Europa Clipper. Na część z niejasności udzieli ona odpowiedzi. Inne nadal będą problematyczne. Jak widzimy, kwestia tego, czy jest życie, czy go nie ma, nie zależy tylko od tego, czy jest ciekła woda, czy jej nie ma. Może się bowiem okazać, że postać tej wody będzie skrajnie różna od tego, co znamy intuicyjnie z dnia codziennego. Nie ulega wątpliwości, że lodowe księżyce Układu Słonecznego, takie jak właśnie Europa, Enceladus, Rhea, Ganimedes, Kallisto i wiele innych skrywają jeszcze niespodzianki, o których nawet jeszcze nam się nie śniło.
