Ветер на спутнике Сатурна Титане способен поднимать огромные волны, даже если он очень слабый. Эти волны формируют берега, переносят осадки, перемешивают жидкости и даже влияют на климат луны. Изучая их, планетологи могут понять, как устроены потенциально обитаемые миры за пределами Земли.
Волны на нашей планете — привычная часть пейзажа. Скользя над поверхностью воды ветер передает ей энергию, создавая сначала мелкую рябь, а затем и крупные волны. Они размывают берега, переносят песок и влияют на теплообмен между океаном и атмосферой. При этом Земля не единственный мир, где могут существовать моря и озера. На древнем Марсе, например, когда-то были озера и речные дельты, а на Титане — огромные моря из жидкого метана и этана. Некоторые экзопланеты и вовсе славятся океанами из серной кислоты, воды или расплавленных горных пород.
Проблема в том, что привычные модели волн создавались для земных условий: воды, гравитации и атмосферы. Если попытаться просто перенести их на Титан или Марс, результаты будут неверными. К примеру, атмосфера на спутнике Сатурна плотнее земной, а гравитация слабее. Значит, ветер и жидкость там взаимодействуют иначе.
Авторы нового исследования, опубликованного в журнале JGR Planets, создали универсальную физическую модель волн, которую можно применять практически к любым планетным условиям. Для этого они адаптировали несколько ключевых факторов: плотность и вязкость жидкости, атмосферное давление и плотность воздуха. Затем ученые протестировали модель для древнего Марса, современного и древнего Титана, а также трех экзопланет — Kepler-163 b, LHS 1140 b и 55 Cancri e.
Выяснилось, что запуск волн зависит прежде всего от того, насколько легко ветер может «ухватиться» за поверхность жидкости. Если у нее слабое поверхностное натяжение, атмосфера плотная, а гравитация низкая, волны появляются легче. Именно по этой причине на Титане и древнем Марсе волны могли формироваться при очень слабом ветре.
Для Земли минимальная скорость ветра, необходимая для устойчивого образования волн, составляет около 2,2 метра в секунду. На древнем Марсе этот порог снижается до 1,2-1,7 метра в секунду в зависимости от плотности атмосферы. А вот на Титане волны могут начать расти уже при скорости всего около 0,5-0,6 метра в секунду в зависимости от плотности атмосферы.
Более того, они получаются выше и длиннее земных: при скорости ветра пять метров в секунду значительная высота волн на Титане может достигать около пяти метров (против 30 сантиметров на Земле), что помогает объяснить загадку титановых морей. Таким образом, новая модель подтверждает, что волны на этой луне должны возникать легко, но их размер и появление зависят от сезона, состава жидкости и конкретных погодных условий.
На Марсе исследователи отдельно смоделировали волны в древнем озере кратера Езеро — именно там сейчас работает марсоход Perseverance. Расчеты показали, что волны могли переформировывать берега и переносить осадки, особенно на стороне кратера с большим разгонным для ветра расстоянием. Это важно для интерпретации древних дельт и слоистых пород: некоторые следы, которые сегодня изучают геологи, могли образоваться в результате волновой активности.
Для экзопланет результаты оказались еще интереснее. На Kepler-163 b с предполагаемыми озерами из серной кислоты, и на LHS 1140 b с водными океанами, волны образуются с трудом и «длятся» меньше. А вот на сверхгорячей 55 Cancri e, где, судя по всему, находятся озера из жидкой лавы, волны могут появиться при почти штурмовом ветре не менее 37 метров в секунду (около 130 километров в час). Сами волны при этом остаются небольшими.
По сути, авторы научной работы показали, что волны — не просто предмет пейзажа, а настоящий геологический инструмент. По ним можно судить о прошлом климата планеты, плотности ее атмосферы и даже шансах на существование условий, пригодных для жизни. Выходит, однажды именно рябь на поверхности далекого инопланетного моря может подсказать, насколько он похож на Землю.