این همان پرسشی است که دانشمندان دانشگاه شفیلد در انگلستان به دنبال پاسخ آن بودند. به همین منظور، آن‌ها شرایط قمرهای اروپا (Europa) و انسلادوس (Enceladus) را در آزمایشگاه شبیه‌سازی کردند. اروپا به دور مشتری می‌چرخد و انسلادوس در مدار زحل قرار دارد. هر دو سطحی یخ‌زده دارند و در زیر این پوسته‌ی یخی، اقیانوس‌هایی از آب شور نهفته است. این آب نقش بزرگی در بازسازی و تغییر شکل سطح این قمرهای یخی ایفا می‌کند. این فرآیند «آتشفشان‌گونگی یخی» یا cryovolcanism نام دارد و نشان می‌دهد که آب در آنجا رفتاری بسیار متفاوت از زمین دارد؛ جایی که در دمای زیر صفر یخ می‌زند و در بالای ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد می‌جوشد.
آتشفشان‌گونگی یخی و تأثیر آن بر دنیای یخی
در زمین، ما فعالیت‌های آتشفشانی را به شکل جریان گدازه‌ها و ابرهای گاز و سنگ‌های آتشفشانی می‌بینیم. اما در دنیای یخی، یخِ آب هم می‌تواند رفتاری مشابه داشته باشد—البته تحت شرایط خاص. به این پدیده، آتشفشان‌گونگی یخی می‌گویند. «پاول گایسلر»، دانشمند سیاره‌ای، آن را چنین تعریف می‌کند: «فوران فاز مایع یا بخار (با یا بدون ذرات جامد همراه) از آب یا مواد فرّاری دیگر که در دمای معمول سطح قمرهای یخی، به‌صورت جامد منجمد هستند.»
در اصل، آتشفشان‌گونگی یخی آب، آمونیاک و متان را از درون یک دنیای یخی به سطح و حتی فراتر از آن منتقل می‌کند. قمرهای اروپا و انسلادوس نمونه‌های برجسته‌ای از این پدیده در منظومه شمسی بیرونی هستند. البته این فرآیند در قمرهای دیگر مانند گانیمد، کالیستو، تریتون و پلوتو نیز دیده شده است. این پدیده به دماهای بسیار پایین نیاز دارد؛ مثلاً دمای سطح انسلادوس حدود منفی ۱۹۳ درجه سانتی‌گراد است. در آنجا، فوران‌های آب، بخار و ذرات یخ را از اعماق سطح به فضا پرتاب می‌کنند که نمونه‌ای از «آتشفشان‌گونگی انفجاری» است. در اروپا، دمای سطحی بین منفی ۱۶۰ تا منفی ۲۲۰ درجه سانتی‌گراد است، به‌گونه‌ای که یخ سطحی سختی سنگ پیدا می‌کند.
نوعی دیگر: آتشفشان‌گونگی آرام (Effusive Cryovolcanism)
با سپاس از ناسا.
علاوه بر آتشفشان‌گونگی انفجاری، نوعی آرام‌تر نیز وجود دارد که در آن، یخ مانند گدازه جریان می‌یابد، بدون آن‌که از زیر سطح منفجر شود. این همان نوعی است که تیم دانشگاه شفیلد به رهبری «پتر بروژ» به آن علاقه‌مند شد؛ زیرا به نظر می‌رسد که نقطه‌ی انجماد و جوش آب در این شرایط دچار تغییر می‌شود و همین مسأله به وقوع آتشفشان‌گونگی منجر می‌شود. آن‌ها به‌طور خاص می‌خواستند بدانند چگونه این نوع جریان آرام ممکن است رخ دهد. بنابراین، آن‌ها شبیه‌سازی‌ای از رفتار آب در شرایط سرد و نزدیک به خلأ، مانند قمرهای یخی بیرونی، انجام دادند.
ساخت شبیه‌ساز آتشفشان‌گونگی یخی
تیم تحقیقاتی از محفظه‌ای با فشار پایین به نام مستعار «جورج» استفاده کرد و مقدار زیادی آب را از درون آن عبور داد و فیلم‌برداری کرد. آن‌ها فشار را تا حدی پایین آوردند که آب حتی در دمای پایین شروع به جوشیدن و قل‌قل زدن کرد—رفتاری غیرعادی از آب که برخلاف انتظار بود. بخار حاصل از جوشیدن باعث سرد شدن بیشتر آب شد. در این مرحله، تکه‌های یخ درون آب در حال جوش شروع به شکل‌گیری کردند. در نهایت، سطحی یخی تشکیل شد و در عین ناباوری، آب زیر آن همچنان در حال جوشیدن بود. یکی از اعضای تیم، «فرانسیس بوچر»، می‌گوید:
«اگر یخ قوی‌تر بود، احتمالاً سطح زیرینِ مایع را مهر و موم می‌کرد و مانع جوشیدن بیشتر می‌شد. اما آزمایش‌های ما نشان دادند که هنگام جوشیدن آب، گاز آزادشده در زیر پوسته‌ی یخی گیر می‌افتد. فشار بالا می‌رود، یخ ترک می‌خورد، گاز فرار می‌کند و آب مایع می‌تواند برای مدتی کوتاه از درون این ترک‌ها به سطح بیاید—و بار دیگر در معرض محیط کم‌فشار قرار گیرد. به‌محض شکل‌گیری ترک‌های جدید، آب دوباره شروع به جوشیدن می‌کند و کل فرآیند تکرار می‌شود.»
«بروژ» توضیح می‌دهد که فرآیند انجماد آب در فشار پایین به‌طور اساسی تغییر می‌کند:
«در چنین شرایطی، آب حتی در دماهای پایین به سرعت می‌جوشد، زیرا در فشار پایین پایدار نیست. هم‌زمان، بخار می‌شود و شروع به یخ‌زدن می‌کند، که این فرایند توسط اثر سرمایشی شدیدِ ناشی از تبخیر هدایت می‌شود. پوسته‌ی یخی که تشکیل می‌شود، دائماً توسط حباب‌های بخار شکسته می‌شود، که یخ را بلند کرده و ترک می‌دهند—و همین مسأله باعث کند شدن و پیچیده شدن فرآیند یخ‌زدن می‌شود.»
کاربرد شبیه‌ساز جورج برای درک دنیای بیرونی
این مجموعه آزمایش‌ها می‌تواند به دانشمندان سیاره‌شناس کمک کند تا در جستجوی مکان‌های دارای آتشفشان‌گونگی یخی در منظومه شمسی بیرونی بهتر عمل کنند. دلیلش این است که آزمایش نشان داد، حباب‌های بالا رونده سطح تازه‌ی یخی را در محفظه تغییر شکل می‌دهند. نتیجه، پوسته‌ای یخی با برجستگی‌ها و پستی‌بلندی‌هایی ناهموار بود—احتمالاً شبیه به سطح قمرهای دوردست یا سایر اجرام یخی منظومه شمسی.
«مانیش پاتل»، استاد علوم سیاره‌ای و عضو تیم، می‌گوید:
«این ناهمواری‌های سطحی که به‌علت گیر افتادن بخار در زیر یخ ایجاد می‌شوند، ممکن است علائم مشخصی باقی بگذارند که توسط فضاپیماهای مدارگرد، مثلاً آن‌هایی که به رادار مجهز هستند، قابل شناسایی باشد. این می‌تواند روشی نوین برای شناسایی فعالیت‌های آتشفشان‌گونگی قدیمی فراهم کند—و در برنامه‌ریزی برای مأموریت‌های آینده به این دنیاهای دوردست نقش مهمی ایفا کند. همچنین، می‌تواند ما را در فهم بهتر این پدیده‌ی همچنان رازآلود، یاری دهد.»
در این تصویر، سطح و مه‌های جوی پلوتو به‌صورت خاکستری نمایش داده شده‌اند، و یک بازسازی هنری از چگونگی عملکرد احتمالی فرآیندهای آتشفشانی گذشته با رنگ آبی بر روی آن قرار گرفته است.
منبع: ناسا / آزمایشگاه فیزیک کاربردی دانشگاه جانز هاپکینز / مؤسسه تحقیقاتی جنوب‌غرب / آیزاک هررا / کلسی سینگر.
