[科普中國]-冰衛(wèi)星

簡介

冰衛(wèi)星是表面主要由冰體構(gòu)成的衛(wèi)星或小行星。冰衛(wèi)星的表面之下可能存在海洋，其中心可能擁有一顆硅酸鹽或金屬質(zhì)的巖石內(nèi)核。另外有人認(rèn)為冰衛(wèi)星是由第二態(tài)冰構(gòu)成的。這類衛(wèi)星中的典型代表是木衛(wèi)二。
因為冰衛(wèi)星受到引力潮汐的加熱作用，所以它是液態(tài)水分布最普遍的一類衛(wèi)星，也是最有可能存在水基生命的衛(wèi)星。一些冰衛(wèi)星上存在著冰火山和噴泉，例如土衛(wèi)二。

背景介紹冰不含任何放射性同位素，它給地球提供主要的熱量來源，放射性同位素的冰衛(wèi)星巖石部分產(chǎn)生的熱量可能太小了以致于不能使冰融化和流動，更不用說大冰塊深層的巖石了。在遙遠(yuǎn)的過去，當(dāng)放射性同位素在巖石組分中十分豐富時，輻射熱就已使較稠密的巖石物質(zhì)滲透到冰中，從而形成一種特殊冰核，然而冰的淺對流是由輻射熱而引起的，淺對流非常強大，足以產(chǎn)生冰的火山作用和表面變化，這對任何冰衛(wèi)星來說在其壽命的90%時間內(nèi)是不能預(yù)料的。

因此，“旅行者”1號航天器從木衛(wèi)一發(fā)回照片時，想必會使人們產(chǎn)生驚奇，木星的最內(nèi)部衛(wèi)星顯示:火山一直在噴發(fā)，不僅如此，次衛(wèi)星一一木衛(wèi)二顯示出擁有一層薄薄的冰表面，它像蛋殼一樣破碎了，而且擁有6個可辨認(rèn)的突發(fā)性火山口，可以看到，其鄰星一一木衛(wèi)三被不同尋常的凸凹不平的地帶所橫斷，顯而易見，這是各種構(gòu)造活動造成的結(jié)果，盡管這些衛(wèi)星是古老的星體，但是，甚至連最年輕的凹陷帶都是火山噴發(fā)最嚴(yán)重的地區(qū)。連木星的最大衛(wèi)星—木衛(wèi)四的最外部都有一層淡褐色的火山噴射面，這幾乎是每個人都可以預(yù)料到的。木衛(wèi)一上的火山，其最引人注目之處要算它的火山口了，它向太空噴射了100多公里的硫和二氧化硫，而且火山口內(nèi)充滿了熱熔物質(zhì)。這種熱流物質(zhì)在遠(yuǎn)離

木衛(wèi)一火山相當(dāng)遠(yuǎn)的地方就能探測到，而且關(guān)于這些熔巖是由硅酸鹽巖石構(gòu)成的(像地球上的熔巖一樣)還是由硫構(gòu)成的論點、目前還存在著大量的爭論。熔硫和熔巖石可能在木衛(wèi)一的近年火山史上起到了一定的作用。在外行星的衛(wèi)星當(dāng)中，除結(jié)冰規(guī)律外，木衛(wèi)一還是一顆巖石衛(wèi)星，它比月球稍稠密，體積較大，就像在月球，火星和水星上的情況一樣，它的輻射熱量對今天的火山活動而言應(yīng)大大減少。

也許對木衛(wèi)一的現(xiàn)在活動不感到驚奇的唯一之人，便是美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校的斯坦頓·皮爾以及他的美國航空和航天局阿姆斯研究中心的同事們了，他們發(fā)揮了聰明才智并準(zhǔn)確無誤地在“旅行者”1號航天器飛到木星的前幾天在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了一篇論文，在文中他們預(yù)測出，木衛(wèi)一的內(nèi)部十分熾熱，甚至可能會熔化，產(chǎn)生潮汐熱，這種相同的機理會促使地球上的海洋產(chǎn)生潮汐，還會在行星和衛(wèi)星之間產(chǎn)生引力。

木衛(wèi)一的內(nèi)部出現(xiàn)潮汐熱是因為木星的引力受到破壞所致，這會在其表面產(chǎn)生足夠的能量，從而帶動地質(zhì)活動。在最靠近木星邊界的中心，其引力形成了大約1公里高的潮汐暴增。如果木衛(wèi)一的旋轉(zhuǎn)比其環(huán)繞的木星運動快，那么這種潮汐暴增就會在木衛(wèi)一的周圍作反向運動，使其與木星保持相對，這種情形不大容易發(fā)生，運動的阻力在木衛(wèi)一的旋轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)換成了一種拖曳力。

這種潮汐阻力已減慢了幾乎所有衛(wèi)星的旋轉(zhuǎn)運動，其中包括木衛(wèi)一和我們地球的衛(wèi)星月球，直到它們的旋轉(zhuǎn)速度與行星的旋轉(zhuǎn)速度相同的這種現(xiàn)象叫做“俘獲的旋轉(zhuǎn)運動”，使衛(wèi)星同其行星水遠(yuǎn)保持在同一個面上，這就是我們在地球上只能看到月球的一側(cè)的原因之所在。

當(dāng)一顆衛(wèi)星被卷入俘獲的旋轉(zhuǎn)運動時，行星對面引起潮汐暴增的受力就會變大，而且衛(wèi)星內(nèi)部消耗的能量可能會產(chǎn)生內(nèi)部對流和大面積的融化，但這一過程在早期就已完成，即差不多在衛(wèi)星誕生1000萬年時就已結(jié)束。一旦一顆衛(wèi)星隱入俘獲的旋轉(zhuǎn)運動，便沒有可能產(chǎn)生大量熱量了，而且產(chǎn)生大量地質(zhì)活動的機會也幾乎沒有了。

當(dāng)一顆行星有幾顆衛(wèi)星時，引力的相互作用常常使相鄰衛(wèi)星的軌道彼此產(chǎn)生簡單的倍數(shù)，這種現(xiàn)象叫做“軌道共振”。例如:在木星周圍，對木衛(wèi)三的每個軌道而言，木衛(wèi)二完成了兩次軌道，而木衛(wèi)一完成了4次軌道，這表明:木衛(wèi)一每次在其軌道的同一點上超過了木衛(wèi)二。木衛(wèi)二有規(guī)律的引力使木衛(wèi)一走了樣，木衛(wèi)一的軌道速度有規(guī)律地變化，而其軸在恒定速度下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。因此，從木星上看，木衛(wèi)一的旋轉(zhuǎn)運動經(jīng)常在其平均位置稍前和稍后之間交替移動。

因此，在木衛(wèi)一上，潮汐上漲的高度和位置是隨著其面對木星的確切位置而變化的，正是這種變化使木衛(wèi)一上的火山產(chǎn)生了大量的熱量。當(dāng)然。任何因素都不是單一的，而軌道上的能量控制著衛(wèi)星的速度以及它與行星之間的距離，當(dāng)木衛(wèi)一的內(nèi)部增加熱量時，，軌道能量就會在相同的旋轉(zhuǎn)速度卜失掉。這種作用并非僅限子木衛(wèi)一，木衛(wèi)二的極年輕的冰表面是通過木衛(wèi)三的軌道共振所產(chǎn)生的潮汐熱量的結(jié)果。目前，雖然木衛(wèi)三是一顆無生命的星球，但它仍然是十分活躍的，其潮汐熱量要比木星最外層的大衛(wèi)星一一木衛(wèi)四的潮汐熱大得多。土星的衛(wèi)星之間的軌道共振是長衛(wèi)二產(chǎn)生初期活動(也許是現(xiàn)在活動)的主要原因?，F(xiàn)在的或過去的潮汐相互作用也能在上述七八顆冰衛(wèi)星中引起熱量的增加，因為這些衛(wèi)星顯然擁有較長的和較復(fù)雜的地質(zhì)史。在這些相互作用中。最顯著的潮汐相互作用存在于天王星和海王星之中，兩星球存在著明顯的火山口和熔巖流等火山活動的痕跡，除了其地貌由冰構(gòu)成的之外，其它火山地形就像在地球上和月球上看見的那樣，依稀可見。

盡管熱源在類地星體和冰星體上是不相同的，但是所獲得的結(jié)果卻極其相似。冰衛(wèi)星的變形表面和地球巖層之間的相似性是其冰的獨特多樣性特征的結(jié)果。不同天體上的冰的組成成分是這些天體在旋轉(zhuǎn)的氣體云中濃縮及太陽系內(nèi)產(chǎn)生的塵埃凝結(jié)的結(jié)果。在木星的巨星中，冰可能是由溶解鹽混雜的凍結(jié)水組成，特別是硫酸鎂和硫酸鈉。它們可能已經(jīng)從這些天體的巖石部分瀝出來了。在木星內(nèi)或在土星以外的星球內(nèi)，溫度逐漸降低，而衛(wèi)星卻已生成了揮發(fā)性物質(zhì)，例如，氨、甲烷、甲醇和氮，并凝結(jié)成了水。這些分子在水冰結(jié)成的晶休中被吸收了，在某些情況下，甚至已經(jīng)結(jié)成了特殊冰。對這些外來混合物的實驗性研究表明:混合物使冰產(chǎn)生了復(fù)雜的溶化作用和結(jié)晶作用特征，仿佛構(gòu)成巖石的硅酸鹽礦物質(zhì)混合物一樣。

特別是，當(dāng)冰混合體融化時。也同樣會按叫做“部分溶化”的過程溶化，例如:冰是由水與氨的混合而生成的，組成兩種共生的不同類型的晶體:純水冰和氫氧化氨。當(dāng)這種晶體混合物在低壓下溶化時，類似于冰衛(wèi)星表面的狀況，所有的氫氧化氨晶體和一些水冰晶體首先融化，從而產(chǎn)生了一種被稱為“部分融化”的液體，這種液大約由33%的氨和67%的水組成。它遺留下了一種由水冰晶體組成的固體剩余物。實驗表明:這種融化在一97C時才發(fā)生，因此，融化比較容易。因為這種融化了的物質(zhì)內(nèi)所含有的氨的比例要比冰內(nèi)所含有的比例高。當(dāng)這種物質(zhì)再次解凍時，冰便形成了，其內(nèi)部含有的氨要比原來的冰內(nèi)的含氨量豐富。

盡管實驗性數(shù)據(jù)還不足。但是看起來原始冰內(nèi)含的污染物質(zhì)可能不止一種。這種情況是可能的，它應(yīng)產(chǎn)生更為復(fù)雜的融化過程，特別應(yīng)考慮到在高壓下形成的不同的融化成分。由此可見?；鹕交顒踊钴S的冰衛(wèi)星可能會產(chǎn)生一系列類型的冰。就像在地球仁由部分硅酸鹽巖石熔化而形成的許多火成巖類型一樣。

融化物不管是液晶還是液體混合物都會流過冰星球的表面，這同類地行星中的火山巖的滑動是一樣的，例如:述描述的氨水溶解要比水粘滯得多在冰衛(wèi)星的低表面重力下，它會像地球上普通的最不粘滯的熔巖——玄武巖一樣移動。玄武巖形成的熔巖流移動的距離較大，速度較快，從而形成了由平緩熔巖流控制的地貌。大約含80%晶體的熔體會形成糊狀液體和晶體，而民會像流紋巖一樣移動，它是地球上普遍存在的熔巖的最粘稠形式，從而產(chǎn)生了由陡坡熔巖流控制的完全不同的地勢。如有可能，氨水溶體內(nèi)也存在甲醇，即使晶體沒開始生成，`已也會是粘稠的，就連溶解鹽也增加了最初生成純水的粘稠性。但是熔點要低幾度。

另一種與地面變化過程平行的便是衛(wèi)星內(nèi)部靠近表面的地方產(chǎn)生的熔體了，如果側(cè)限壓力按這樣一種方式降低，那么蒸氣泡就會隨著熔化的加劇而生成，這種情況可促使爆發(fā)性火山突發(fā)。隨著氣泡突然而猛烈地擴大，氣泡會分裂熔體，使周圍地區(qū)的冰片降落下來在地球土。1991年6月，菲律賓的皮納圖拉山爆發(fā)了火成巖碎屑物，擴大的氣泡壓力克服了熔巖的粘結(jié)力。

無論行星活動的熱量來源是放射性衰變還是潮汐過程，`已們都是偶然發(fā)生的，兩種過程均能導(dǎo)致內(nèi)部對流和表面活動。在冰天體上，由外太陽系的混合冰展·示的熔化和結(jié)晶關(guān)系再現(xiàn)了在硅酸鹽巖石中發(fā)現(xiàn)的熔化和全奇晶的所有重要特征。要進(jìn)一步了解行星是如何起作用的。地質(zhì)學(xué)家們應(yīng)在地球以外。甚至在類地行星以外進(jìn)行觀測1。

探索歷程2013年4月18日消息,英國每日電郵報道，英國科學(xué)家表示，很可能在土星和木星的冰衛(wèi)星上發(fā)現(xiàn)外星人的存在。這一發(fā)現(xiàn)來自于英國天體生物學(xué)中心，后者旨在調(diào)查地球以外是否存在外星生命。

歐洲太空局計劃開展木星冰衛(wèi)星探索任務(wù)（JUICE）以調(diào)查木星上生命存在的可能性，將于2022年開始的JUICE項目將調(diào)查木星的三個主要衛(wèi)星。該項目中所使用的磁力儀的首席研究員、倫敦帝國理工學(xué)院的米歇爾·多赫蒂（Michelle Docherty）教授說道：“我們想要查明的是，木星的衛(wèi)星是否存在合適的環(huán)境以支持生命存在。衛(wèi)星上需要有液態(tài)水，溫?zé)岬臍夂驐l件，環(huán)境的長期穩(wěn)定性以及存在有機化合物。我們認(rèn)為木衛(wèi)四、木衛(wèi)三和木衛(wèi)二都滿足這些條件，但我們必須真正探索它們才能得出確定性結(jié)論?！盝UICE項目將發(fā)射于2022年，預(yù)計于2030年到達(dá)木星1。