NASA bada ocean pod lodem. I wcale nie rusza się z Ziemi

Misje eksploracji Układu Słonecznego są nie tylko nastawione na poznanie innych ciał niebieskich. Dużą niewiadomą jest wciąż sama Ziemia, w tym badania tego co dzieje się pod powierzchnią wody, a także pod lodem. Zachodzące tam procesy, szczególnie topnienia mogą mieć kluczowy wpływ na przyszłość planety. Mowa tu o powiązanym z tymi procesami wzrostem średniego poziomu mórz. Według danych NASA, gdyby lądolód Antarktydy całkowicie się stopił, doprowadziłoby to do podniesienia tego poziomu o około 60 metrów. Jak dramatyczne skutki miałoby to dla miejsc położonych w pobliżu oceanów i mórz, nietrudno przewidzieć.

Można oczywiście dywagować, czy wzrost poziomu wody będzie tak duży, negować fakt topnienia ziemskiej pokrywy lodowej. Ludzie z NASA JPL-Caltech jednak nie chcą czekać i tym razem zamiast eksploracji marsjańskich pustkowi, zdeterminowani są, by zajrzeć pod lodowe szelfy na terenie Antarktydy z pomocą specjalnych robotów, które mogą stać się dalekimi kuzynami próbników badających lodowe księżyce Jowisza i Saturna w odległej przyszłości. Pierwsze poważne testy potrzebnej technologii są już za nimi.

Odpowiedź na to jak szybko topnieje lód jest pod nim

Wzrost średniej temperatury na Ziemi przyczynia się do topnienia lodu od strony wystawionej na działanie promieniowania słonecznego i atmosfery. Jednak lodowce topnieją także od spodu, gdzie wystawione są na kontakt z ciepłą wodą. Samo topnienie szelfów lodowych, które są osadzone na wodzie, nie jest tu najistotniejsze, ale ich osłabienie umożliwia zsuwanie się warstw lądolodu osadzonego na powierzchni Antarktydy.

To jak szybki i zlokalizowany jest proces topnienia lodu od strony oceanu stanowi niewiadomą w dzisiejszych modelach klimatycznych. Uzupełnienie ich o te dane pozwoli nam dokładniej przewidzieć przyszłość mórz i oceanów, a być może także naszej cywilizacji.

Projekt, którego celem jest ocena szybkości topnienia lodu od strony oceanu w miejscach gdzie dochodzi do styku szelfów lodowych, lądolodu na Antarktydzie i oceanu, nazwano IceNode. Jego kierownik Ian Fenty, klimatolog z JPL uważa, że w końcu - znaleźliśmy sposób - by dotrzeć do bardzo trudno dostępnych zagłębień pod unoszącym się na powierzchni oceanu lodem, gdzie nie są w stanie zajrzeć satelity, a nieprzewidywalne ukształtowanie terenu utrudnia eksplorację łodziami podwodnymi. To właśnie w tych miejscach topnienie może zachodzić najszybciej.

Tzw. grounding line, czyli miejsce gdzie styka się lądolód, szelf lodowy, ocean i skorupa ziemi oraz przestrzeń pod szelfem lodowym to miejsca, gdzie chcą zajrzeć naukowcy z pomocą robotów IceNode. (źródło: Caltech / Ocean Ice Report)

Flota robotów IceNode

Robotyczne pływające jednostki IceNode mają kształt walca z rozkładanymi nogami, które umożliwiają przyczepienie się od spodu do lodu. Taki robot może przypominać odwrócony dolny człon rakiety SpaceX Falcon 9. Wymiary walca to 2,4 m długości i 25 cm średnicy.

Zanurzanie robota IceNode w trakcie testów w morzu Beauforta. (fot: NASA/JPL)

Pływające roboty nie mają żadnego napędu, polegają na oprogramowaniu i prądach oceanicznych, które zniosą je w interesujące miejsce. Tam zakotwiczone w lodzie, będą mierzyć przepływ wody - tej ciepłej, która roztapia lód, i tej zimnej pochodzącej z roztopionego lodu. Roboty będą pracować przez rok. Dane przesyłane byłyby z otwartego oceanu, gdzie roboty dryfowałyby po odczepieniu się od warstwy lodu.

Paul Glick, główny naukowiec projektu IceNode, uważa że - te roboty są sposobem na przetransportowanie instrumentów naukowych do najtrudniej osiągalnych miejsc na Ziemi. Dodaje też - są przewidziane jako tani sposób rozwiązania trudnego problemu. Obecnie JPL jest na etapie testów urządzeń w morzu Beauforta, po raz pierwszy w regionie przypominającym docelowe miejsce pracy robotów IceNode. Zanurzony tam pod lodem na około 100 m robot zbierał dane na temat zasolenia, temperatury i prądów wodnych.

Robot pod warstwą lodu w trakcie testów w Jeziorze Górnym w 2022 r. (fot: NASA/JPL)

Choć projekt IceNode wciąż jest w fazie prototypowej, to już bliskiej finalnej realizacji. Tymczasem w przyszłości czekają nas być może misje podwodne poza Ziemią.

Czym będą się różnić ewentualne misje na lodowych księżycach?

Przede wszystkim inny będzie ogólny cel, w tamtych miejscach związany z poszukiwaniem śladów życia organicznego i ogólnym rozpoznaniem otoczenia. Ogromne wyzwanie to także samo dotarcie do takiego oceanu pod lodem na Europie (księżyc Jowisza) czy Enceladusie (księżyc Saturna). Skorupa lodowa tych księżyców może mieć 20 i więcej km grubości, trzeba będzie się przez nią przewiercić, zanim jakakolwiek misja pod wodą się rozpocznie.

Na Ziemi zdołaliśmy wwiercić się w lodzie na głębokość około 2,2 km (najgrubsza powłoka lodowa na Ziemi ma około 5 km). Najgłębszy odwiert w skale, w Rosji na półwyspie kolskim, ma 12,2 km. Poza tym średnica tego odwiertu jest stosunkowo niewielka w porównaniu z tym czego będzie oczekiwał prawdopodobnie próbnik NASA. Wiercenie w powierzchni innych ciał niebieskich to zawsze wiele niewiadomych, o czym przekonała się obsługa misji InSight. Wytyczne NASA, które posłużyły do zbudowania w polskim Centrum Badań Kosmicznych tak zwanego kreta, okazały się zbyt łagodne i marsjański odwiert się nie powiódł.

Wizualizacja wiertarki, która będzie kiedyś zagłębiała się w skorupę księżyca Europa. Projekt prawdopodobnie bardziej odległy w czasie, niż naukowcy chcą to przyznać. (fot: NASA)

W najbliższej przyszłości szanse na najgłębsze odwierty w powierzchni Marsa ma europejski łazik Rosalind Franklin, który wyposażono w wiertło zdolne do zagłębienia się na około 2 metry w powierzchnię Czerwonej Planety. Tymczasem misja na lodowy księżyc Europa, jedno z miejsc, gdzie ocean pod lodem może istnieć, która miałaby wiązać się z odwiertami, jest na razie w fazie koncepcyjnej. I to nie będą kilometrowe odwierty, a tylko około 10 cm dziurki w lodzie, nieznacznie głębsze od najgłębszych odwiertów (7 cm) jakie dotychczas zdołał wykonać łazik Perseverance na Marsie.

Wspomniane wielokilometrowe odwierty w lodzie to na razie bardzo odległa wizja, wręcz fantazja, bo nawet trudno sobie wyobrazić wyzwania jakie stawia penetracja lodowej skorupy o grubości 20 km. To zarówno kwestia komunikacji jak i funkcjonowania urządzenia wiercącego, a nadto czasu trwania misji ze względu na silne promieniowanie ze strony Jowisza, które bardzo utrudnia realizacje projektów o stacjonarnym charakterze.

Badania pod lodem w ramach wspomnianego programu IceNode, a także takie projekty jak odwierty w lodzie z pomocą SLUSH (Search for Life Using Submersible Heated drill) czyli termomechanicznego wiertła, z pewnością przyniosą doświadczenie, które kiedyś przyda się na orbicie Jowisza.

Sondy JUICE i Europa Clipper, przyniosą wiele odpowiedzi na temat lodowych księżyców Jowisza, ale wciąż tylko z orbity. (fot: ESA/NASA)

Ważne odpowiedzi na temat budowy Europy, pomocne w planowaniu ewentualnych odwiertów, przyniesie sonda NASA Europa Clipper, której start zaplanowano na październik tego roku. Dotrze ona na Jowisza rok przed inną misją, europejską JUICE. Największą przeszkodą w realizacji planów eksploracji lodowych księżyców w Układzie Słonecznym są koszty (bez względu na to jaki kraj zdecyduje się wesprzeć taką wyprawę) i gorzej uzasadniony sens takich misji niż planów eksploracji Księżyca czy Marsa.

Źródło: NASA/JPL-Caltech, inf. własna