土星衛星恩克拉多斯的水噴發

在外太陽系的冰凍地帶，土星衛星恩克拉多斯的地質活動異常豐富，而且這背后的驅動力正是液態水。

過去幾十年里，行星科學領域最令人興奮的發現之一就是恩克拉多斯地表噴發出的水。恩克拉多斯是土星的一顆小衛星，表面為冰所覆蓋，它的噴發物中含有冰粒和水蒸氣。噴發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。噴發物中的那些小冰粒不僅為土星的E環提供了養分，而且同水蒸氣一道，為我們研究恩克拉多斯的內部結構（包括這顆衛星的巖石內核、一片可能適宜孕育生命的地下液態水海洋以及噴發出水體的地表裂縫）和動力學機制打開了一扇窗戶。

這些噴發現象的起點位于恩克拉多斯南極附近的一系列裂縫。卡西尼探測器在2004—2017年間探索了土星及其衛星，用各種設備——包括紫外、可見光、紅外光譜儀，質譜儀和粒子分析器——研究了恩克拉多斯噴發物的性質。匯總后的測量結果顯示，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物。揮發物的總質量流量隨時間而變化，平均大約是每秒數十千克冰粒子，氣體的質量流量還要大一個數量級。在本文中，我們討論幾種可能導致恩克拉多斯噴發的物理機制。

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，恩克拉多斯噴發物其實來自一片與這顆衛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，我們已經可以確定，這顆土星衛星冰殼下方存在一片全球性海洋。因此，目前看來，噴發的源頭應該在恩克拉多斯的內部海洋，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現象。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現象。裂縫內的水為什么沒有結冰？為什么這些裂縫只出現在南極？所有這些問題現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，這兩顆衛星處于軌道共振狀態。這讓恩克拉多斯的軌道變成了橢圓，并且引發了周期性的潮汐形變。在這種形變過程中，會有熱量散發出來，從而讓恩克拉多斯內部保持一定溫度，以維持液態海洋的存在。也正是這種潮汐形變產生的熱量導致填滿了裂縫的水沒有結冰。

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。當衛星內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冰時體積會增加，從而壓縮了地下海洋并拉伸了衛星地表。 當這種拉伸效應產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，一旦有裂縫出現就可以穿透整個冰殼。由于南極地區的冰殼最薄，而且冰殼潮汐形變以及海洋循環產生的熱量又最高，所以裂縫在這里最為明顯，水蒸氣也從這里的裂縫噴發出去。

噴發機制

恩克拉多斯水噴發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移到環境中。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、噴發出來的粒子和氣體必須保持在熱力學平衡狀態，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，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生的壓力限制了噴發過程中的水蒸發率和總質量流量。在恩克拉多斯的地表上空，噴發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膨脹。

在裂縫內部和噴口上方，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。

至于恩克拉多斯內部究竟發生了什么，比如冰殼是否可以產生液態水，以及噴發的源頭是否必須是內部海洋，有沒有可能是冰殼，物理學家們就沒那么肯定了。了解恩克拉多斯內部海洋以及噴發物的組成，對研究其宜居性乃至可能存在的生物的特征至關重要。另外，噴發物和地表裂縫的幾何形狀、噴發事件的持續時間、潮汐調節噴發事件的方式以及噴發集中在衛星南極區域的原因，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會在這顆衛星的軌道上收集新鮮的羽流物質，同時還會釋放登陸器在衛星地表收集樣本。這是美國2023—2032行星科學與天體生物學十年研究規劃目前優先考慮的兩大任務之一。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現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物中的生命（無論是現在可能存在的，還是過去曾經存在過的）跡象。

資料來源 Physics Today

本文作者邁克爾·曼加（Michael Manga）是加州大學伯克利分校地球與行星科學系主任、教授；馬克斯·魯道夫（Max Rudolph）是加州大學戴維斯分校地球與行星科學系副教授