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土卫二“喷冰”之谜,喷涌出几百公里的冰柱

 更新时间:2020-06-18 15:28

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。

土卫二“喷冰”之谜,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“喷冰”之谜,喷涌出几百公里的冰柱

  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。

土卫二“喷冰”之谜,喷涌出几百公里的冰柱

  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“喷冰”之谜,喷涌出几百公里的冰柱

  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。

土卫二“喷冰”之谜,喷涌出几百公里的冰柱

  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。

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