Возьмём Европу. Кратко — какие наблюдения и расчёты нужны, какие параметры они дадут и как на их основе оценить наличие подповерхностной воды, объёмы и потенциал для жизни.
Наблюдения (орбитальные и прилунные / посадочные)
- Магнитометр (многократные наближения): измеряет индуцированное магнитное поле → позволяет определить наличие проводящей подповерхностной оболочки (солёной океан), оценить проводимость и глубину.
- Радиолокация (ice-penetrating radar, частоты ∼MHz—tens of MHz): профилирует толщину ледяной коры, обнаруживает внутренние отражатели (вода, камеры), ледяную стратификацию.
- Гравиметрия + лазерный альтиметр: модель плотности и неоднородностей, моменты инерции → constrain размеры океана и ядра.
- Тепловая карта (инфракрасная): локальные горячие точки, потоки тепла, показатели тектоники и потенциальной циркуляции под льдом.
- UV/видимая съёмка + спектрометр (IR, NIR): наблюдение струй (плимов), состав соли/леда/органики на поверхности, свежие экспозиции океанической воды.
- Лайдинг: сейсмометрия (толщина льда, глубина океана, свойства дна), тепловой зонд (тепловой поток), бур/криомолот или термопробив — прямое измерение состава льда.
- Пролет через струи / захват проб с помощью масс- и органического спектрометра: состав воды, соли, летучие, органические молекулы, изотопы (для оценки взаимодействия вода–порода).
- Радионаучные эксперименты (движение орбитального аппарата): точные измерения гравитации и приливной деформации.
Ключевые расчёты и модели (с формулами)
- Объём океана (при предположении глобального слоя):
$$V_{\mathrm{oce}}=\frac{4\pi }{3}\left(R_{\mathrm{out}}^3-R_{\mathrm{in}}^3\right),$$ где $R_{\mathrm{out}}$ — радиус до нижней грани льда, $R_{\mathrm{in}}$ — радиус твёрдого внутреннего шара (ядра/ангидрит и т.п.). Массу воды $M_{\mathrm{oce}}={\rho }_{\mathrm{w}}{V}_{\mathrm{oce}}$.
- Толщина льда из временнóй задержки радара: если время прохождения $t$ и диэлектрическая проницаемость льда $ϵ$, то скорость $v=c/\sqrt{ϵ}$, толщина $h=vt/2$.
- Проводимость/салинизация из индуцированного поля: связь с глубиной и удельной проводимостью $\sigma$ оценивается через скин-глубину
$$\delta =\sqrt{\frac{2}{{\mu }_0\omega \sigma }},$$ где $\omega$ — частота внешнего возмущающего поля (изменение магнитного поля Юпитера), ${\mu }_0$ — магнитная проницаемость вакуума.
- Инверсия гравитации + формы: по изменению гравитационного поля и моменту инерции выводят распределение плотности $\rho (r)$ через
$$I=\frac{8\pi }{15}{\int }_0^R\rho (r)r^{4}dr,$$ что в сочетании с радиолокацией даёт толщины слоёв.
- Приливное нагревание (оценка доступной энергии): суммарная мощность приближённо
$$\dot{E}\sim -\mathrm{Im}(k_2)\frac{21}{2}\frac{G{M}_{\mathrm{J}}^2{R}^5{e}^2}{a^6},$$ где $k_2$ — лапландовский параметр (Love), $\mathrm{Im}(k_2)\sim k_2/Q$, $e$ — эксцентриситет орбиты, $a$ — большая полуось. Средний поток на поверхность $F=\dot{E}/(4\pi R^2)$.
- Оценка объёма доступной химической энергии: на основе концентраций окислителей (пероксида водорода, СО2, сульфаты) и восстановителей (H2, серпентинизация) из масс-спектра и моделирования кинетики; расчёт свободной энергии реакции $\Delta G$ и потока доступной энергии на единицу площади.
- Сейсмические модели: скорости продольных и поперечных волн в льду/воде/скале дают границы и состояние (жидкое/твёрдое), трактуются через стандартные волновые уравнения и инверсию.
Как связать наблюдения с выводами о воде и жизни
- Наличие индуцированного магнитного поля + соответствующая $\sigma$ ⇒ высокая вероятность глобального солёного океана. Сопоставить $\sigma$ с предполагаемой солёностью через электролитические модели.
- Радиолокация + сейсмика дают толщину льда и наличие крупных полостей/озёр. Если $h_{\mathrm{ice}}$ мало (десятки км), то обмен веществ и тепла легче.
- Гравитаия + форма → объём и масса океана через формулу выше; проверить глобальность (равномерное распределение) или локальные бассейны.
- Тепловой поток и модель приливного нагрева (формула выше) дают энергообеспечение для циркуляции и гидротермальных источников на дне — ключевой фактор для жизни.
- Состав струй/поверхности (органика, аминокислоты, летучие, изотопы) прямо укажет на экзогенные/эндогенные источники органики и степень взаимодействия вода–порода.
- Оценка pH, красокс-потенциалов и концентраций ключевых ионов (Na+, Cl−, Mg2+, SO42−) из анализов пробы позволяет судить о среде — подходит ли она для земных энергозависимых метаболизмов.
Краткая последовательность миссии и анализа
1. Орбитальные измерения (магнитометр, радар, гравиметр, Т/IR, спектрометры) → первичная модель структуры и наличия океана.
2. Серия пролётов через струи с масс- и органическими спектрометрами → химия и следы воды.
3. Посадка с сейсмологией и тепловыми измерениями → точные толщины, тепловая генерация.
4. При возможности — внедрение криобота / пробивка и прямой анализ океана (салinity, органика, микробиологический анализ).
Критерии для вывода о потенциале для жизни
- Наличие жидкой воды в значимых объёмах (расчёт $V_{\mathrm{oce}}$ и $M_{\mathrm{oce}}$).
- Наличие источников энергии (приливный нагрев, гидротермальные потоки) с рассчитанным потоком $F$ сравнимым с порогами для хемосинтеза.
- Доступность химической редокс-энергии (наличие окислителей и восстановителей, $\Delta G$ реакций положителен).
- Наличие органических молекул и благоприятных условий (температура, pH, ионный состав).
Заключение
Комбинация магнитометрии, радиолокации, гравиметрии, спектрометрии, тепловых карт и сейсмологии плюс моделирование (инверсия плотности, электромагнитная индукция, приливное нагревание) даёт количественные оценки: толщина льда, глубина/объём океана через $V_{\mathrm{oce}}=\frac{4\pi }{3}(R_{\mathrm{out}}^3-R_{\mathrm{in}}^3)$, проводимость/солёность через $\delta =\sqrt{2/({\mu }_0\omega \sigma )}$, и энергодоступность через приближённую формулу приливного тепла. Затем по химическим данным оценивают реальную пригодность среды для земных форм жизни.