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土卫二“喷冰”之谜 研究人员终于搞清了是什么让土星的卫星土卫二向太空中喷涌出几百公里的冰柱。 据美国《科学》杂志在线新闻报道，就像一盏冷却了的熔岩灯，地下的热量随着潮汐力缓慢地聚集，导致被部分融化的冰涌向地表。这便形成了巨大的间歇泉。 研究人员在1月10日的《自然—地球科学》网络版上报告了这一发现。这一骚动融化并再造了40%的土卫二的冰表面，但是发生在这颗卫星的变化正在逐渐慢下来。基于卡西尼号探测器5年的观测以及计算机的最新模拟结果，研究人员推断，土卫二的熔岩灯将很快暗淡下来，并且在未来20亿年的时间里保持安静。几百公里高的冰火山爆发 土卫二恩克拉多斯(Enceladus)拥有全太阳系最壮观的场景之一：高达几百公里高的冰火山爆发。它的内部拥有可能深达数十千米深的海洋。 土卫二上壮观的冰火山爆发，大量的冰可以被抛到数百千米高，甚至喷成了土星E环 (来自NASA)在介绍它没有空气之前，我们先介绍行星或卫星的大气科学的几个特点： 1、大气是气态的分子构成，这些分子一定处于热运动中。在同一温度下，越轻(分子量越小)的分子运动速度越快，温度更高所有的分子运动速度都更快。比如拥有大气的位于宜居带上类地行星(金星、火星、地球)温度偏高引力也非常大，但基本都不存在氢气氦气之类的了。 地球常温下(25摄氏度)各个分子的运动速度分布规律 1.7: The Maxwell Distribution Laws 2、星球引力越大，就能束缚越多分子，同理也能束缚越轻的分子。比如月球就无法束缚任何大气。 3、温度越低，分子运动速度越慢，就越不容易逃离，但相应的大气也会更为稀薄(当然引力越大也会越薄)。比如地球大气在太阳直射区就厚一些。但也不能过低，过低时气体变成液态或固态，即便是接近真空的情况依然如此。火星是个好例子，二氧化碳都被固定在南北极冰盖上了。 水蒸气的三相点和临界点图，其他气体都符合大致趋势 (Wikipedia) 4、外界影响。强大的太阳风、外界强大磁场剥离，都会给大气里的分子强行加上能量，导致它们容易逃逸。比如木卫一的就被强大的木星磁场吹走了大气。月球没有大气的另一个原因也是强大的太阳风。 在这种情况下，我们分析土卫二。原因一：土卫二太小了 土卫二极其小，小到半径只有200多公里，小到跟英国差不多大。 土卫二就这么大(来自NASA) 它的引力只有地球的1%，逃逸速度仅仅为239米/秒，甚至仅为月球2380米/秒的十分之一。考虑到连月球都无法束缚空气，这意味着它根本没有束缚住气体运动的可能性，喷出来多少就丢掉多少，氢气氦气神马的就不要想了，只有可能存在一些较大分子量的气体。原因二：土卫二温度极低 由于它几乎就是一面被冰块盖满的镜子，反射率几乎100%，导致它的表面温度极低，大约为零下200度，在这种情况下好不容易的一丁点大分子量气体(比如二氧化碳)等，也会变成“冰”而不是气态。 虽然土卫二并没有土星和太阳的干扰，但前面两个原因足够让它没有大气了，它目前仅有的大气也主要由水蒸气(91%)，氮气(4%)，二氧化碳(3.2%)和甲烷(1.7%)组成，实在太稀薄，近乎真空状态。 相比较而言，土卫六是土星排名第一大的卫星，整个太阳系排名第二大的卫星，比月球甚至比水星都大。半径是2500公里左右，逃逸速度超过月球(2600米/秒)且太阳辐射极弱，且它位于土星磁层内受到保护而不被这极弱的太阳风干扰(当然土卫二也在)，温度零下180度时氮气还处于气态(占大气比例98%)，所以土卫六就可以保有大量的气体，甚至在靠近地面区域超过地球大气压。 不过土卫二上存在生命的可能原料(甲烷，水，二氧化碳，氮气等)，且它由于与土星和土卫四的轨道共振(不断被这俩揉搓)导致它内部地质活动依然活跃，拥有很多内部能量(毕竟都“冰山爆发”了)，极有可能在海底存在一个温度合适、能量合适、营养物质合适的区域产生生命。 因此，它也是下一个土星任务的重点探测目标之一。其他星球可能有生命的存在,土卫二具备生命所需条件 科学家一直在探索是否还有其他星球可能有生命的存在。近日，有科学家在论文总宣布，他们在土卫二表面发现了一种可供申明利用的化学能量形式。 据国外媒体报道，两项开展已久的NASA任务为我们提供了木星和火星卫星的新信息，进一步凸显了太阳系和其它星系中“海洋星球”的科学价值。此次探测结果要归功于NASA的卡西尼号探测器和哈勃太空望远镜，于美国时间4月13日发布。 参与卡西尼号任务的科学家在论文中宣布，他们在土卫二表面发现了一种可供生命利用的化学能量形式。哈勃望远镜的研究人员则汇报了木卫二表面喷出的羽状物的最新细节。 “我们一直在寻找拥有宜居环境所需物质的星球，而这是我们离这一目标最近的一次。”NASA科学任务董事会副行政官托马斯·泽尔布肯(Thomas Zurbuchen)表示，“这些观测结果体现了NASA科学任务的本质：弄清我们是否为宇宙中唯一的生命。” 图为2015年卡西尼号穿越土卫二羽状物时的情景。卡西尼号探测器和哈勃望远镜对海洋星球的最新观测结果有助于我们在未来搜寻外星生命。 图为卡西尼号任务科学家分析出的土卫二海底岩石与海水间产生氢气的化学反应。 卡西尼号任务的论文被发表在期刊《科学》上。论文中指出，土卫二海床中的地热活动产生的氢气正源源不断地涌入地下海，而氢气可作为生命的化学能来源。 土卫二中富含氢气，说明若地下海中存在微生物，便可将氢气与溶解在海水中的二氧化碳结合，从中获取能量。这一化学反应被称作“产甲烷作用”(methanogenesis)，因为反应过程中会生成副产品甲烷，而甲烷恰好是地球上的生命之源，甚至可能对地球生命起源起到了至关重要的作用。 就我们所知，生命需要三种必要成分：液态水，新陈代谢的能量来源，以及合适的化学元素，主要包括氢、氦、氧、磷、硫。此次卡西尼号的探测结果显示，土卫二虽然体积袖珍、冰雪遍布，距太阳距离比地球多达一百多万公里，却几乎拥有上述的全部物质。卡西尼号尚未确定土卫二海洋中是否存在磷和硫，但科学家猜测答案是肯定的，因为他们认为土卫二岩质内核的化学成分与含有这两种元素的陨石相似。 “在我们搜寻宜居星球的过程中，确认土卫二海洋中存在生命所需的化学能具有里程碑式的意义。”NASA喷气推进实验室参与卡西尼号任务的科学家琳达·斯皮尔克(Linda Spilker)指出。 这张合成图片中显示了两年间从木卫二同一地点喷出的羽状物。两缕羽状物均由哈勃望远镜在紫外光下拍摄。木卫二从木星前方穿过时，可清晰显示出大气活动轮廓。 绿色椭圆中为哈勃望远镜在木卫二表面拍到的羽状物。这一区域温度高于其它地区。该热量图以伽利略号探测器的观测结果为基础绘制。 卡西尼号探测器上一次穿越土卫二表面由气体和冰粒构成的羽状物是在2015年10月28日，也是目前为止最为深入的一次。在此过程中，卡西尼号探测到了氢气的存在。在此前穿越羽状喷流时，该探测器还收集了其成分样本。科学家分析这些观测结果后发现，羽状物由近98%的水和约1%的氢气构成，其余成分则包括二氧化碳、甲烷和氨气等其它分子。 上述测量结果要归功于卡西尼号探测器的离子与中性粒子质谱仪(INMS)，该仪器可对气体进行分析，确定气体成分。离子与中性粒子质谱仪还收集过土卫六的上层大气样本。自从卡西尼号于2005年在土卫六表面发现一缕从南极附近的炽热裂隙中喷出的冰粒之后，科学家便将目光转向了体积更小的土卫二。 卡西尼号并非为寻找土卫二表面羽状物中的生命迹象而设计。事实上，在卡西尼号抵达火星之前，科学家并不知道土卫二表面存在羽状喷流。 “虽然我们无法探测其中是否存在生命，但我们在其中发现了生命的能量来源。对于细菌而言，这里就像糖果店一样。”卡西尼号研究的主要作者亨特·怀特(Hunter Waite)表示。 最新探测结果说明土卫二海洋中存在地热活动。此前于2015年3月发布的探测结果显示，热水可与海底岩石发生化学反应。最新结果验证了这一结论，还提供了新信息：这一化学反应可产生氢气。另一篇论文发表在《天体物理学研究通讯》(Astrophysical Journal Letters)上，其中详细介绍了哈勃望远镜的观测结果。2014年，哈勃望远镜发现木卫二表面存在羽状结构。而自2016年以来，哈勃望远镜观察到同一地点一直有羽状物喷出。这些图片说明，木卫二表面的羽状物或许的确存在，在同一地区反复现身。#FormatImgID_5# 在最新拍摄的照片中，从木卫二表面喷出的羽状物高达100公里，而2014年观察到的仅有50公里左右。两次现象都位于木卫二地表一处异常温暖的区域，从其特征来看，可能是木卫二冰壳上的裂隙，于上世纪90年代由NASA伽利略号探测器率先发现。研究人员猜测，就像土卫二一样，这可能是水从卫星内部喷出的证据。 “土卫二上的羽状物与温度较高的区域间存在关联，因此哈勃望远镜在木卫二上拍到类似的羽状结构之后，我们也找出了伽利略号拍摄的热量图，看看这一地区情况如何。结果发现，木卫二羽状物所处区域也存在热量异常现象。”美国巴尔的摩太空望远镜科学研究所的威廉·斯巴克斯(William Sparks)指出。斯巴克斯在2014年和2016年都领导了针对羽状物的研究。 研究人员称，如果羽状物与高温地区间的确存在联系，或许说明从冰壳下方喷出的水正是附近地表的热源。还有一种理论认为，羽状物中的水喷入高空之后，以细水雾的形式落回地表，改变了地表结构，增强了该地区的保温效果。 在2014年和2016年的观测任务中，该团队都利用了哈勃望远镜的影像摄谱仪(STIS)，在紫外光下对羽状物进行拍摄。当木卫二从木星前方经过时，木卫二边缘的大气活动可遮挡投向木星的光线，因此影像摄谱仪能够拍下其轮廓。斯巴克斯及研究团队将继续利用哈勃望远镜监测木卫二，寻找更多羽状物，希望以此确定羽状物出现的频率。 未来NASA将对其它海洋星球开展进一步探索，这要归功于哈勃望远镜对木卫二羽状物活动的检测、以及卡西尼号对土卫二羽状物的长期观察。值得一提的是，两项任务都为NASA的“木卫二快艇”号任务(Europa Clipper)打下了坚实基础。 “若和我们猜测的一样、木卫二上的确存在羽状物，‘木卫二快艇’任务便是研究它们的绝佳契机。”NASA行星科学分部主管吉姆·格林(Jim Green)指出。 借助哈勃望远镜，我们发现了这片存在间歇性羽状活动的区域，这无疑为欧罗巴任务提供了一处诱人的探测目标，使各种强大的科学仪器有了用武之地。此外，与斯巴克斯共同参与哈勃望远镜木卫二研究的共同作者们正准备研发一台用于“木卫二快艇”任务的强大紫外线摄像机。该摄像机所做的探测工作与哈勃望远镜类似，但距离近了数千倍。卡西尼号离子与中性粒子质谱仪团队的科学家也在研发该仪器的升级版，大大提高其敏感度，亦将在“木卫二快艇”任务中发挥作用。
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