महासागरीय दुनिया में कम गुरुत्वाकर्षण गर्म पानी के संचलन को बनाए रखने में मदद कर सकता है

केएसएम (जनवरी 2023) के क्रेटर तल पर हाल ही में स्थापित (2018 से) लावा के टीले (पीले हाइड्रोथर्मल खनिज रंग के साथ काले) आरओवी जेसन हाल ही में निकले लावा के भीतर एक नए बने हाइड्रोथर्मल वेंट (पीले रंग का क्षेत्र, नीचे दाईं ओर) में तापमान सेंसर डालने की तैयारी कर रहा है। (©वुड्स होल ओशनोग्राफिक इंस्टीट्यूशन)

यूसी सांता क्रूज के टीम सदस्यों द्वारा किए गए एक नए अध्ययन में एक जटिल कंप्यूटर मॉडल का उपयोग करके यह जांच की गई कि किस प्रकार कम गुरुत्वाकर्षण का प्रभाव, जो हमारे बाहरी सौर मंडल के महासागरीय क्षेत्रों पर पाया जाता है, उनके समुद्र तल के नीचे पानी और गर्मी के प्रवाह को प्रभावित कर सकता है।

यह कार्य वुड्स होल ओशनोग्राफिक इंस्टीट्यूशन (WHOI) के वरिष्ठ वैज्ञानिक क्रिस जर्मन के नेतृत्व में बहु-संस्थागत "एक्सप्लोरिंग ओशन वर्ल्ड्स" नासा कार्यक्रम के हिस्से के रूप में किया गया था। इसने सीफ्लोर हाइड्रोथर्मल वेंटिंग की संभावना पर नई रोशनी डाली है - जो पृथ्वी पर सबसे आदिम जीवन रूपों में से कुछ को होस्ट करता है - बाहरी सौर मंडल में विशाल ग्रहों की परिक्रमा करने वाले अन्य "ओशन वर्ल्ड" चंद्रमाओं पर होने के लिए।

आरओवी जेसन का मैनिपुलेटर आर्म, जनवरी 2023 में कामा'एहुआकानालोआ सीमाउंट (केएसएम) पर गर्म (~40°C) वेंट-फ्लुइड्स एकत्र करने के लिए आइसोबैरिक गैस-टाइट (आईजीटी) सैंपलर का उपयोग करता हुआ। (©वुड्स होल ओशनोग्राफिक इंस्टीट्यूशन)

हमारे सौर मंडल में कई "महासागरीय दुनियाएँ" हैं, ग्रह और चंद्रमा जो वर्तमान में या अतीत में तरल महासागर रहे हैं। इनमें से कुछ महासागरीय दुनियाएँ हाइड्रोथर्मल परिसंचरण को चलाने के लिए आंतरिक रूप से पर्याप्त गर्मी छोड़ सकती हैं - पानी जो समुद्र तल में बहता है, घूमता है, और गर्म होता है, और वापस बहता है। पृथ्वी पर, ये प्रवाह गर्मी और रसायन ले जा सकते हैं, जिनमें से कुछ रसीले समुद्र तल पारिस्थितिकी तंत्र को सहारा देने के लिए महत्वपूर्ण हैं। ये चट्टान-गर्मी-द्रव प्रणाली 1970 के दशक में पृथ्वी के समुद्र तल पर खोजी गई थी, और कई वैज्ञानिकों को लगता है कि वे हमारे सौर मंडल में कहीं और मौजूद हो सकते हैं - यह बहुत रुचि का विषय है, खासकर इसलिए क्योंकि जीवन का समर्थन करने की क्षमता है। यूसी सांता क्रूज़ में शोध दल ने ब्लू मार्बल स्पेस इंस्टीट्यूट ऑफ़ साइंस, WHOI और नैनटेस यूनिवर्सिटी के सहयोगियों के साथ मिलकर जर्नल ऑफ़ जियोफिजिकल रिसर्च: प्लैनेट्स में अपना नया अध्ययन प्रकाशित किया है, जिसमें दिखाया गया है कि पृथ्वी पर देखी जाने वाली हाइड्रोथर्मल प्रणालियाँ अन्य महासागरीय दुनिया की कम गुरुत्वाकर्षण स्थितियों के तहत कैसे भिन्न हो सकती हैं।

बहुत से लोगों ने पृथ्वी के समुद्र तल पर उच्च तापमान वाले छिद्रों के बारे में सुना है, जिन्हें कभी-कभी "ब्लैक स्मोकर्स" कहा जाता है, जहाँ 300 °C (पृथ्वी पर समुद्र तल पर पानी के क्वथनांक से बहुत अधिक गर्म) से अधिक गर्म तरल पदार्थ समुद्र में प्रवाहित होते हैं, धातु अयस्कों को जमा करते हैं और विदेशी जीवन को सहारा देने में मदद करते हैं। जबकि ये उच्च तापमान प्रणालियाँ मुख्य रूप से उप-समुद्र तल ज्वालामुखी गतिविधि द्वारा संचालित होती हैं, पृथ्वी के समुद्र तल से बहुत अधिक मात्रा में तरल पदार्थ कम तापमान पर अंदर और बाहर बहता है, जो मुख्य रूप से ग्रह के "पृष्ठभूमि" शीतलन द्वारा संचालित होता है।

अध्ययन के मुख्य लेखक और यूसी सांता क्रूज़ में पृथ्वी और ग्रह विज्ञान (ईपीएस) के प्रतिष्ठित प्रोफेसर एंड्रयू फिशर ने कहा, "कम तापमान वाले वेंटिंग के माध्यम से पानी का प्रवाह, पृथ्वी पर सभी नदियों और धाराओं में छोड़े जाने वाले पानी की मात्रा के बराबर है, और पृथ्वी के लगभग एक चौथाई ताप ह्रास के लिए जिम्मेदार है।" "महासागर का पूरा आयतन लगभग हर आधे मिलियन वर्ष में समुद्र तल से अंदर और बाहर पंप किया जाता है।"

यूसी सांता क्रूज़ में ईपीएस शोधकर्ता और नए पेपर की तीसरी लेखिका डोना ब्लैकमैन ने बताया, "यूरोपा और एनसेलेडस (बृहस्पति और शनि के चंद्रमा) पर हाइड्रोथर्मल परिसंचरण के कई पिछले अध्ययनों में उच्च तापमान वाले तरल पदार्थों पर विचार किया गया है, और कार्टून और अन्य चित्र अक्सर उनके समुद्र तल पर प्रणालियों को दर्शाते हैं जो पृथ्वी पर काले धूम्रपान करने वालों की तरह दिखते हैं।" "कम तापमान प्रवाह होने की संभावना कम से कम उतनी ही है, यदि अधिक नहीं है।"

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पेपर के दूसरे लेखक और यूसी सांता क्रूज़ में ईपीएस में पीएचडी उम्मीदवार क्रिस्टिन डिकर्सन ने अध्ययन के आधार को समझाया, "हमने पृथ्वी के समुद्र तल के नीचे एक समुद्री जल परिसंचरण प्रणाली को देखा जिसका अध्ययन वर्षों से किया जा रहा है। इसे उत्तर-पश्चिमी प्रशांत महासागर में गहराई में खोजा गया था, जहाँ ठंडा तल का पानी एक सीमाउंट (एक विलुप्त ज्वालामुखी) के माध्यम से बहता है, 50 किमी की यात्रा करता है, फिर दूसरे सीमाउंट से बाहर निकलता है।" यह पानी बहते समय गर्मी इकट्ठा करता है और जब यह बहता है, उससे अधिक गर्म होता है, और बहुत अलग रसायन विज्ञान के साथ। शोधकर्ताओं ने उस पृथ्वी प्रणाली के लिए विकसित एक कंप्यूटर मॉडल का उपयोग किया, गुरुत्वाकर्षण के मूल्य को बदलते हुए, और यह जांचते हुए कि विभिन्न स्थितियों (जैसे हीटिंग की विभिन्न मात्रा, चट्टान के गुण, द्रव परिसंचरण गहराई) के तहत प्रवाह कैसे भिन्न होगा।

एक सीमाउंट से दूसरे सीमाउंट तक प्रवाह उछाल द्वारा संचालित होता है, क्योंकि पानी गर्म होने पर कम घना हो जाता है, और ठंडा होने पर अधिक घना हो जाता है। घनत्व में अंतर चट्टान में द्रव दबाव में अंतर पैदा करता है, और सिस्टम प्रवाह द्वारा ही बनाए रखा जाता है। फिशर ने कहा, "हम इसे हाइड्रोथर्मल साइफन कहते हैं, और यह तब तक चल सकता है जब तक गर्मी की आपूर्ति होती है और चट्टान के गुण परिसंचरण की अनुमति देते रहते हैं।" कुछ महासागरीय दुनियाएँ बड़े ज्वार से गर्म होती हैं, जो एक विशाल ग्रह के चारों ओर एक विलक्षण कक्षा के दौरान एक महासागरीय दुनिया के मुड़ने पर गर्मी पैदा कर सकती हैं।

नए शोधपत्र से पता चलता है कि, जब गुरुत्वाकर्षण पृथ्वी की तुलना में कम होता है, तो समुद्र तल में और बाहर प्रवाह को चलाने वाला एक छोटा उछाल बल होता है - यह पानी के संचलन को धीमा कर देता है और गर्मी को हटा देता है। साथ ही, जब गुरुत्वाकर्षण कम होता है तो कम उछाल के कारण समुद्र तल के नीचे कम द्वितीयक मिश्रण होता है, एक ऐसी प्रक्रिया जो ऊर्जा का उपयोग करती है और इसलिए आउटक्रॉप के बीच प्रवाह को कम करती है।

नए पेपर में दिखाए गए सिमुलेशन से एक रोमांचक परिणाम यह है कि, बहुत कम गुरुत्वाकर्षण के तहत (जैसा कि शनि के एक छोटे चंद्रमा एनसेलडस के समुद्र तल पर पाया गया है), लाखों या अरबों वर्षों तक - यानी सौर मंडल के पूरे जीवनकाल तक, कम से मध्यम तापमान पर परिसंचरण जारी रह सकता है। यह समझने में मदद कर सकता है कि कैसे छोटे महासागरीय विश्व, जिनका गुरुत्वाकर्षण पृथ्वी से बहुत कम है, उनके समुद्र तल के नीचे लंबे समय तक चलने वाले द्रव परिसंचरण तंत्र हो सकते हैं: ताप निष्कर्षण की कम दक्षता के कारण काफी दीर्घायु हो सकती है। इसके अलावा, कुछ सिमुलेशन के परिणामस्वरूप वेंट द्रव का तापमान 150 °C तक हो गया, जो समुद्र तल के नीचे अपेक्षाकृत उथले परिसंचरण के बावजूद, पृथ्वी पर जीवन की ऊपरी सीमा से थोड़ा ऊपर है। कुल मिलाकर, ये सिमुलेशन दिखाते हैं कि कम गुरुत्वाकर्षण तापमान और प्रवाह दरों में महत्वपूर्ण रूप से बदलाव करता

ग्रह वैज्ञानिक उपग्रह मिशनों से प्राप्त अवलोकनों की सहायता से यह निर्धारित करने में सहायता प्राप्त कर रहे हैं कि महासागरीय दुनियाओं पर किस प्रकार की परिस्थितियाँ मौजूद हैं या संभव हैं। नए शोधपत्र के लेखकों की टीम इस पतझड़ के अंत में फ्लोरिडा के केप कैनावेरल में यूरोपा क्लिपर अंतरिक्ष यान के प्रक्षेपण में भाग लेगी, साथ ही एक्सप्लोरिंग ओशन वर्ल्ड्स परियोजना में सहयोग करने वाले सहकर्मियों के साथ।

WHOI के जर्मन के अनुसार, जो इस शोधपत्र के सह-लेखक भी हैं, "इस अध्ययन का एक महत्वपूर्ण परिणाम यह है कि यह सुझाव देता है कि कम तापमान (जीवन के लिए बहुत अधिक गर्म नहीं) वाले हाइड्रोथर्मल सिस्टम पृथ्वी से परे महासागरीय दुनिया में लंबे समय तक बने रह सकते थे, जो कि पृथ्वी पर समान जीवन के पनपने में लगने वाले समय से कहीं अधिक था। इस प्रकार, बाहरी सौर मंडल में महासागरीय दुनिया भी रहने योग्य हो सकती है और शायद, जीवन की मेजबानी भी कर सकती है।"