在外太陽系的冰凍地帶，土星衛(wèi)星恩克拉多斯的地質(zhì)活動異常豐富，而且這背后的驅(qū)動力正是液態(tài)水。

過去幾十年里，行星科學(xué)領(lǐng)域最令人興奮的發(fā)現(xiàn)之一就是恩克拉多斯地表噴發(fā)出的水。恩克拉多斯是土星的一顆小衛(wèi)星，表面為冰所覆蓋，它的噴發(fā)物中含有冰粒和水蒸氣。噴發(fā)出來的部分冰會以雪的形式落回恩克拉多斯地表，這顆星球因此成了我們太陽系中表面反射率最高的天體之一。噴發(fā)物中的那些小冰粒不僅為土星的E環(huán)提供了養(yǎng)分，而且同水蒸氣一道，為我們研究恩克拉多斯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（包括這顆衛(wèi)星的巖石內(nèi)核、一片可能適宜孕育生命的地下液態(tài)水海洋以及噴發(fā)出水體的地表裂縫）和動力學(xué)機制打開了一扇窗戶。

這些噴發(fā)現(xiàn)象的起點位于恩克拉多斯南極附近的一系列裂縫?？ㄎ髂崽綔y器在2004—2017年間探索了土星及其衛(wèi)星，用各種設(shè)備——包括紫外、可見光、紅外光譜儀，質(zhì)譜儀和粒子分析器——研究了恩克拉多斯噴發(fā)物的性質(zhì)。匯總后的測量結(jié)果顯示，恩克拉多斯噴出的氣體主要是水蒸氣，還有一小部分其他揮發(fā)物。揮發(fā)物的總質(zhì)量流量隨時間而變化，平均大約是每秒數(shù)十千克冰粒子，氣體的質(zhì)量流量還要大一個數(shù)量級。在本文中，我們討論幾種可能導(dǎo)致恩克拉多斯噴發(fā)的物理機制。

殼層游戲

雖然研究人員最初爭論的是，這些噴發(fā)物究竟來自水體還是冰殼中含氣冰的分解，但冰顆粒和二氧化硅納米顆粒中鹽分的存在表明，恩克拉多斯噴發(fā)物其實來自一片與這顆衛(wèi)星核心部分接壤的海洋。通過測量恩克拉多斯引力、形狀以及冰殼潮汐振動的振幅，我們已經(jīng)可以確定，這顆土星衛(wèi)星冰殼下方存在一片全球性海洋。因此，目前看來，噴發(fā)的源頭應(yīng)該在恩克拉多斯的內(nèi)部海洋，水蒸氣從南極附近的裂縫射出冰殼。

恩克拉多斯位于冰冷的外太陽系，直徑不過250千米。然而，就是在這樣一個小天體上，卻存在活躍的水噴發(fā)現(xiàn)象。這便提出了幾個問題：恩克拉多斯是怎么保持較高的溫度以維持那片液體海洋的？地表的那些裂縫又是怎么來的？沒有這些裂縫，我們可看不到這種噴發(fā)現(xiàn)象。裂縫內(nèi)的水為什么沒有結(jié)冰？為什么這些裂縫只出現(xiàn)在南極？所有這些問題現(xiàn)在都還沒有得到解答。即便如此，我們還是希望提出一些相對比較直觀的解釋。

土星的另一顆衛(wèi)星狄俄涅每繞土星運動一周，恩克拉多斯就繞土星兩周。也就是說，這兩顆衛(wèi)星處于軌道共振狀態(tài)。這讓恩克拉多斯的軌道變成了橢圓，并且引發(fā)了周期性的潮汐形變。在這種形變過程中，會有熱量散發(fā)出來，從而讓恩克拉多斯內(nèi)部保持一定溫度，以維持液態(tài)海洋的存在。也正是這種潮汐形變產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致填滿了裂縫的水沒有結(jié)冰。

而這些裂縫可能就是同恩克拉多斯的地下海洋一道形成的，其成因都是恩克拉多斯軌道與潮汐熱耗散之間的相互反饋。當(dāng)衛(wèi)星內(nèi)部因潮汐形變而耗散的熱量減少時，冰殼就變厚了。冰殼底層附近的水結(jié)冰時體積會增加，從而壓縮了地下海洋并拉伸了衛(wèi)星地表。 當(dāng)這種拉伸效應(yīng)產(chǎn)生的壓力變得足夠大時，恩克拉多斯地表就會形成裂縫。

恩克拉多斯的引力很弱，因而整個冰殼受到的壓力都很低，一旦有裂縫出現(xiàn)就可以穿透整個冰殼。由于南極地區(qū)的冰殼最薄，而且冰殼潮汐形變以及海洋循環(huán)產(chǎn)生的熱量又最高，所以裂縫在這里最為明顯，水蒸氣也從這里的裂縫噴發(fā)出去。

噴發(fā)機制

恩克拉多斯水噴發(fā)的具體過程因所在位置和高度的不同而變化。在裂縫中，由于水和冰的密度差異，水會從冰殼底部上升到接近地表的位置。水位線就是水的三相點，也即水、冰、水蒸氣三者共存的位置。就在水位線的上方，壓力的下降，導(dǎo)致水大部分都沸騰成了水蒸氣，并且還夾帶了少許水滴。這些水滴隨蒸汽噴出地表凝固后可能就形成了卡西尼號采集到的含鹽冰粒子。

當(dāng)滿足兩個條件時，作為一級近似，我們可以把裂縫中水蒸氣和冰的流動近似看作絕熱——這意味著，能量只以功的形式轉(zhuǎn)移到環(huán)境中。這兩個條件分別是：一、水蒸氣和冰的流動必須足夠快，快到它們與裂縫壁之間的熱量交換可以忽略不計；二、噴發(fā)出來的粒子和氣體必須保持在熱力學(xué)平衡狀態(tài)，且水蒸氣、水和冰都必須以同一速度運動。

夾雜著冰粒子的水蒸氣在不斷攀升的過程中，收到的壓力會不斷減小并逐漸冷卻。水蒸氣會在冰粒子表面凝結(jié)，形成新的粒子，從而演變成一種粒子和氣體的混合物。噴口處氣流的流速很可能會受到限制。

這種混合物在通過裂縫和噴口時產(chǎn)生的壓力限制了噴發(fā)過程中的水蒸發(fā)率和總質(zhì)量流量。在恩克拉多斯的地表上空，噴發(fā)而出的混合物以超音速膨脹進入太空，形成了壯觀的噴射羽流。羽流進一步膨脹后，氣體分子的平均自由程就變得大到無法進一步凝結(jié)了。于是，這些羽流變得越來越稀，在我們看來，它們就是越來越薄。隨著熱量不斷輻射到宇宙空間中，它們也不再以恒定的熵繼續(xù)膨脹。

在裂縫內(nèi)部和噴口上方，急速膨脹的氣體可以把最小的冰粒子加速到逃逸速度，離開恩克拉多斯。至于那些更大一些的粒子，速度就達不到那么快，只能沿著拋物線軌跡落回恩克拉多斯地表。

至于恩克拉多斯內(nèi)部究竟發(fā)生了什么，比如冰殼是否可以產(chǎn)生液態(tài)水，以及噴發(fā)的源頭是否必須是內(nèi)部海洋，有沒有可能是冰殼，物理學(xué)家們就沒那么肯定了。了解恩克拉多斯內(nèi)部海洋以及噴發(fā)物的組成，對研究其宜居性乃至可能存在的生物的特征至關(guān)重要。另外，噴發(fā)物和地表裂縫的幾何形狀、噴發(fā)事件的持續(xù)時間、潮汐調(diào)節(jié)噴發(fā)事件的方式以及噴發(fā)集中在衛(wèi)星南極區(qū)域的原因，這些問題仍舊懸而未決。

擬議中的恩克拉多斯軌道登陸任務(wù)會在這顆衛(wèi)星的軌道上收集新鮮的羽流物質(zhì)，同時還會釋放登陸器在衛(wèi)星地表收集樣本。這是美國2023—2032行星科學(xué)與天體生物學(xué)十年研究規(guī)劃目前優(yōu)先考慮的兩大任務(wù)之一。相信在不遠的將來，新一代儀器會幫助我們更好地探明維持恩克拉多斯噴發(fā)現(xiàn)象的地化過程和物理過程，更好地掌握其地下海洋的宜居性，更好地搜尋這些噴發(fā)物中的生命（無論是現(xiàn)在可能存在的，還是過去曾經(jīng)存在過的）跡象。

資料來源 Physics Today

本文作者邁克爾·曼加（Michael Manga）是加州大學(xué)伯克利分校地球與行星科學(xué)系主任、教授；馬克斯·魯?shù)婪颍∕ax Rudolph）是加州大學(xué)戴維斯分校地球與行星科學(xué)系副教授