Un satellite glacial de Saturne, Encelade, a fait l'objet d'un intérêt croissant ces dernières années depuis que Cassini a capturé des jets d'eau et d'autres matériaux éjectés du pôle sud de la lune. Une hypothèse particulièrement alléchante soutenue par la composition de l'échantillon est qu'il pourrait y avoir de la vie dans les océans sous les coquilles de glace d'Encelade. Pour évaluer l'habitabilité d'Encelade et trouver la meilleure façon de sonder cette lune glacée, les scientifiques doivent mieux comprendre la composition chimique et la dynamique de l'océan d'Encelade.

Spécifiquement, une salinité appropriée pourrait être importante pour l'habitabilité. Comme la bouillie des Trois Ours, le niveau de sel de l'eau doit être juste pour que la vie prospère. Une salinité trop élevée pourrait mettre la vie en danger, et une salinité trop faible peut indiquer une faible réaction eau-roche, limiter la quantité d'énergie disponible pour la vie. Si la vie existe, circulation océanique, qui dépend aussi indirectement de la salinité, déterminera où la chaleur, les éléments nutritifs et les biosignatures potentielles sont transportés vers, et est donc la clé de la détection des biosignatures.

Une équipe de scientifiques travaillant avec le Dr Wanying Kang au MIT aborde ces questions en simulant numériquement les circulations océaniques probables pour différents niveaux possibles de salinité et en évaluant la probabilité de chaque scénario en se demandant s'il est capable de maintenir la géométrie observée de la coquille de glace que Cassini tracé sur la lune glacée.

La circulation océanique dépend des différences de densité de son eau constitutive dans différentes parties de l'océan. L'eau plus dense coulera vers l'eau moins dense afin d'atteindre un équilibre. Ces différences de densité sont elles-mêmes contrôlées par deux facteurs clés, l'emplacement de la source de chaleur de la lune et la salinité de l'océan, les deux sont actuellement mal compris.

Il y a deux endroits sur Encelade pour une source potentielle de chaleur :dans le noyau de silicate ou dans la partie inférieure de la banquise où elle rencontre la partie supérieure de l'océan. Si une quantité importante de chaleur est produite dans le noyau de silicate par la flexion des marées sous l'océan, les scientifiques s'attendraient à voir de la convection, tout comme ce qui se passe lorsque vous faites bouillir une casserole d'eau. De la même manière, si le gel se produit au sommet de l'océan, le sel sera expulsé de la glace, augmenter la densité de l'eau locale et déclencher la convection par le haut.

La salinité joue également un rôle clé dans ces calculs de densité. Pour des niveaux de salinité relativement faibles, l'eau se contracte en se réchauffant près du point de congélation, le rendant plus dense. Puisque l'océan d'Encelade est en contact avec une coquille de glace globale, il est proche du point de congélation. C'est contre-intuitif à la façon dont la plupart des gens pensent du réchauffement, ce qui implique généralement que le matériau devient moins dense avec l'augmentation de la température. À des salinités plus élevées, cela devient vrai et l'eau commence à se comporter normalement, expansion lors du réchauffement.

Compte tenu de l'incertitude de la salinité des océans d'Encelade (entre 4 et 40 grammes de sel par kilogramme d'eau) et du pourcentage de réchauffement de la planète se produisant à l'une ou l'autre des deux sources, Le Dr Kang et ses coauteurs ont utilisé le modèle océanique du MIT pour simuler la circulation océanique sous diverses combinaisons, en supposant que la coquille de glace observée est maintenue en gelant dans les régions de glace épaisse et en fondant ailleurs. Cela est largement vrai pour les mondes glacés, car les plates-formes de glace s'aplatiraient naturellement au fil du temps en raison de l'écoulement de la glace si aucun autre processus ne maintient une différence.

L'équipe a diagnostiqué le transport de chaleur selon divers scénarios et a découvert que seuls quelques-uns d'entre eux peuvent globalement maintenir un bilan thermique "équilibré", c'est à dire., comment les différentes sources de chaleur (la quantité de flux de chaleur de l'océan à la glace, plus la production de chaleur dans la glace due à la flexion des marées, plus le dégagement de chaleur latente) peut équilibrer exactement la perte de chaleur conductrice à travers la coquille de glace.

Selon le modèle, un tel équilibre peut être atteint globalement si la salinité des océans se situe à un niveau intermédiaire (10 ^-30 g/kg) et si la coquille de glace est la source de chaleur dominante. Lorsque ces deux conditions sont remplies, la circulation océanique est faible. Par conséquent, l'eau polaire chaude ne sera pas mélangée trop efficacement vers l'équateur, donc la fonte équatoriale ne se produira pas. Il en résulte une banquise plus épaisse autour de l'équateur de la lune, comme l'a observé Cassini. Cela implique également que la pression à l'interface eau-glace est plus faible aux pôles, ce qui signifie qu'il a également un point de congélation plus élevé que l'eau à l'équateur.

Pour les scénarios avec un bilan thermique "déséquilibré", ce qui signifie qu'une partie de la chaleur créée sur la lune n'est pas évacuée, le transport de chaleur vers l'équateur est trop efficace et la coquille de glace équatoriale aura tendance à fondre. Pendant ce temps, la force du gradient de pression entraînera un écoulement glaciaire de l'équateur vers les pôles. Ensemble, la fonte et l'écoulement des glaces réduiront l'épaisseur de la glace près de l'équateur, inévitablement. Dans ce scénario, la géométrie observée de la glace ne peut pas être maintenue pendant la durée de vie de la lune.