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Ice On Planets of the Solar System

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

M.S. Krass*
Affiliation:
Institut Mekhaniki, Moskovskiy Gosudarstvennyy Universitet, Michurinskiy Prospekt 1, Moskva 117234, U.S.S.R.
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Abstract

Several aspects of space glaciology are considered in the paper. Estimates of the water content of the Earth, Mars, and the Galilean moons of Jupiter are corrected. A considerable proportion of the total amount of water in the solar system is localized near Jupiter; part of this water is contained as ice in glaciations, glacial caps, and ice crust on the planets. Ice is one of the main components of the surface of some planets. The major amount of ice on Mars is contained in a permafrost layer of mean thickness about 3 km. The model of an ice crust floating on a water mantle is considered for Jupiter’s moon Europa. It is shown that for definite values of certain parameters this crust may be subject to destruction due to the instability of its proper oscillations, which explains the numerous systems of fractures and cracks observed on Europa’s surface. The stress-strain state of such an ice crust is calculated within the framework of a non-linear thermo-elasticity model. The role of short-period temperature variations at Europa’s surface is estimated and the peculiarities of relief observed on this planet are analysed.

Résumé

Résumé

Les aspects de la glaciologie de l’espace sont évoqués dans cet article. Les estimations de la quantité d’eau sur la Terre, Mars et les lunes Galliléennes de Jupiter sont corrigées. Une considérable partie de la quantité d’eau dans le système solaire est localisée près de Jupiter. Une partie de cette eau est contenue en eau glacée, calottes de glace et croûtes de glace des planètes. La glace est l’un des principaux composants de la surface de certaines planètes. La plus grande quantité de glace sur Mars est contenue dans La couche de permafrost d’une épaisseur moyenne de 3 km. Le modèle d’une croûte de glace flottant sur un manteau d’eau est envisagé pour la lune de Jupiter, Europe. Il est montré que pour certains paramètres précis cette croûte peut être sujette à destruction à cause de l’instabilité de ses propres oscillations, ce qui explique les nombreux systèmes de fractures et crevasses observées sur la surface d’Europe. L’état de contrainte-déformation d’une croûte de glace est calculé dans le cadre d’un modèle thermoélastique non linéaire. Le rôle des variatons de température à courte période est estimé pour la surface d’Europe et les particularités observées du relief de cette planète sont analysées.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

In diesem Beitrag werden die Aspekte der Raum-Glaziologie betrachtet. Die Abschätzungen des Wassergehaltes der Erde, des Mars und der galiläischen Jupitermonde werden berichtigt. Ein erheblicher Teil der Gesamtwassermenge des Sonnensystems befindet sich in der Nähe von Jupiter. Dieser Wasseranteil ist als Eis in Vergletscherungen, glazialen Kappen und Eiskrusten von Planeten gespeichert. Eis ist eine der Hauptkumponenten auf der Oberfläche einiger Planeten. Der grӧsste Anteil des Eises auf dem Mars ist in der Permafrostschicht mit einer Dicke von etwa 3 km enthalten. Für den Jupitermond Europa wird das Modell einer Eiskruste, die auf einem Wassermantel schwimmt, betrachtet. Es wird gezeigt, dass bei bestimmten Parametern diese Kruste infolge der Instabilität ihrer eigenen Oszillationen zerstört werden kann, was die zahlreichen Systeme von Brüchen und Spalten, die auf Europas Oberfläche zu beobachten sind, zu erklären scheint. Der Spannungszustand einer Eiskruste wird im Rahmen eines nichtlinearen thermoelastischen Modells berechnet. Die Bedeutung kurzperiodischer Temperaturschwankungen für Europas Oberfläche wird abgeschätzt; die beobachteten Besonderheiten des Reliefs dieses Planeten werden analysiert.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1984
Figure 0

Table I. Planets of the Solar System the Surface of which contain Ice

Figure 1

Table II. Estimates of H2O Content of Planets

Figure 2

Fig. 1. Phase diagram for H2O ice.

Figure 3

Table III. Densities for the different Forms of Ice

Figure 4

Fig. 2. Schematic cross-section of Europa. 1 – ice envelope; 2 – water-ice mantle; 3 – basic rocks.

Figure 5

Table IV. Penetration Depths of Thermal Fluctuations

Figure 6

Table V. Dependence of Linear Expansion coefficient of Ice on Temperature

Figure 7

Fig. 3. Dependence of the root x1 of Equation (44) on β. Curves numbered 1,2,5,4,5,6 correspond to γ = 1.02, 1.03, 1.04, 1.05, 1.06, and 1.07 respectively.

Figure 8

Fig. 4. Dependence of the root x1 of Equation (44) on the ice envelope thickness parameter, γ. Curves numbered 1,2,3,4,5,6,7 correspond to β = 0.02, 0.03, 0.05, 0.08, 0.1, 0.15, and 0.2, respectively. The dashed lines show values of m calculated from Equation (47).

Figure 9

Table VI. Fundamental Periods of the proper Radial Oscillations of the Icy Crust of Europa

Figure 10

Table VII. Fundamental periods of Torsional oscillations of the floating Icy Crust of Europa

Figure 11

Fig. 5. Dependence of relative deformation Us – Ub, on β (curves numbered 1,2,3 correspond to γ = 1.015, 1.04 and 1.06) and on γ (curve numbers 4,5,6 correspond to β = 0.02, 0.05 and 0.2).I: −α = const; II: – α = α (T) according to Equations (31), (68).

Figure 12

Fig. 6. Thermoelastic stresses in an ice crust. γ = 1.015. a: – σϕϕ, b – τ.I: – α = const; II: – α = α(T). Curves numbered 1,2,3, correspond to β = 0.1, 0.2, and 0.5, respectively.

Figure 13

Fig. 7. Dependence of thermoelastic stresses on β.γ = 1.02.I: – α = const, II: – α = α(T). a: – σϕϕ, b: −τ. Curves numbered 1,2,3, correspond to r = 1/γ, 0.5 (1 + 1/γ), and 1, respectively.