解读欧罗巴

刘声远

科学家估计，欧罗巴地下海洋水量是地球海洋的2～3倍。欧罗巴为什么可能存在地下海洋？这样的海洋如果真的存在，其中可能有类地球生命吗？

欧罗巴是环绕木星的四颗伽利略卫星中最小的一颗，它在木卫中与木星的距离为第六近。它也是太阳系中第六大的卫星。它是依据希腊主神宙斯的情人欧罗巴而命名的。欧罗巴的个头比月球小一点。欧罗巴有水—冰地壳，还可能有一个铁—镍内核。欧罗巴的稀薄大气层主要由氧组成。

潮汐加热

欧罗巴每3天半多一点就环绕木星一圈，轨道半径大约为67.1万千米。欧罗巴的轨道接近正圆形。与其他伽利略卫星一样，欧罗巴也被木星潮汐锁定，即它有一个半球持续面朝木星。因此，欧罗巴表面存在这样一个位置，从这一点往上看，木星刚好悬挂在这一点的正上方。但研究表明这种潮汐锁定并非完整，欧罗巴的自转速度快于它环绕木星的速度，至少在过去一段时间里如此。这暗示欧罗巴内部质量分布不对称，地下海洋把含冰地壳与内部岩石分隔开。

欧罗巴轨道很小的偏心率，是由其他伽利略卫星的引力扰动维持的。这导致上面所说的欧罗巴表面木星正挂地点并非固定，而是随时间分布于一个不大的范围内。随着欧罗巴略微靠近木星一点点，木星对它的引力增加，会导致欧罗巴被拉伸一点点。随着欧罗巴略微离开木星一点点，木星对它的引力降低，又引起欧罗巴反弹回去一点点。这在欧罗巴地下海洋中造成潮汐。欧罗巴的轨道偏心率由欧罗巴与依娥的平均运动共振来持续推动。这样，潮汐可挠性揉捏欧罗巴内部，给予欧罗巴内部一种热源，由此就可能让欧罗巴地下海洋保持液态，同时推动欧罗巴地下地质过程。这些运动过程的终极能量源是木星的自转。依娥通过自己在木星上引起的潮汐利用了这一能量，这种能量又通过轨道共振传递给欧罗巴和加尼美得。

通过分析欧罗巴独特的衬砌裂缝，科学家判断欧罗巴曾经可能绕一根倾斜轴自转。如果这一判断无误，就能解释欧罗巴的许多特征。由纵横交错的裂缝所组成的欧罗巴表面的巨大网络，记录着由欧罗巴地下海洋的大规模潮汐造成的压力。欧罗巴的倾斜自转轴，可能影响对欧罗巴冰地壳中记录着欧罗巴多长历史的计算，影响对欧罗巴地下海洋潮汐能产生多少热量的计算，影响对后来被地下海洋能保持液态多久的计算，影响对欧罗巴地下海洋年龄估计值的计算。

欧罗巴的冰层必须能延展或退缩，才能解释这些变化。当承压过大，冰层就会开裂。自转轴的倾斜，表明欧罗巴表面裂缝可能形成于最近，而非像科学家之前认为的那样久远，理由是自转轴的方向可能每天都会变化几度，每好几个月就完成一次运动周期。不仅潮汐力被认为是保持欧罗巴地下海洋液态的热源，而且自转轴倾角意味着更多热量是由潮汐力产生的。这样的热量有助于欧罗巴地下海洋更长久保持液态。科学家尚未查明这种自转轴倾斜发生于何时，也不知道倾角有多大。

除了潮汐加热，欧罗巴内部也可能被岩石地幔内的放射性材料衰变加热。但理论模型和实际观测值是放射性衰变单独产生热量的100倍以上，这暗示潮汐加热在欧罗巴加热中起了主导作用。

地下海洋

欧罗巴表面温度在赤道附近为-160℃，在两极地区为-220℃，这让欧罗巴的冰地壳像花岗岩一样坚硬。首次对欧罗巴地下海洋的探索，来自于对潮汐加热的理论思考。通过对“旅行者号”和“伽利略号”拍摄的欧罗巴图像进行分析，“伽利略号”成像团队科学家认为欧罗巴存在地下海洋。最引人注目的例子是“混沌地形”，这种欧罗巴表面常见特征被一些科学家解读为地下海洋融穿冰地壳的地方。但这种解释有争议性。研究过欧罗巴图像的大多数地质学家青睐的是“厚冰”模型，按照这一模型，地下海洋很少与冰地壳相互作用。

对欧罗巴表面大型陨击坑的一项研究结果，是厚冰模型的最佳证据。最大陨击坑被一系列同心环包围，环中看来充填的是相对平坦和新鲜的冰。基于这一证据和对欧罗巴潮汐生热量的计算，科学家估算出欧罗巴的冰地壳厚度约为10～30千米，地下海洋深度约为100千米，海洋水量是地球海洋的2～3倍。

“伽利略号”发现欧罗巴有弱磁矩，它由木星磁场的不同部位诱导。这一磁矩在欧罗巴磁赤道产生的场强约为加尼美得场强的1/6，约为卡里斯托场强的6倍。感应力矩的存在需要欧罗巴内部有一层高导电性材料。最可能的解释，就是欧罗巴地下存在大规模盐水海洋。

自从“旅行者号”在1979年经过欧罗巴以来，科学家一直在研究欧罗巴表面红褐色物质的组成，这些物质覆盖着裂缝及其他地质学上的年轻地貌。光谱证据表明，欧罗巴表面的暗红色条纹地带可能富含像硫酸镁之类的盐，这些盐由欧罗巴内部的水蒸发而沉积形成。硫酸水合物是另一种可能的解释，因为光谱观测发现了疑似硫酸水合物。无论怎样，由于这些物质在纯净状态下为无色或白色，因此一定存在其他一些材料（例如硫化合物）才能解释前述的红褐色。

水汽柱

“哈勃太空望遠镜”在2012年拍摄的一幅欧罗巴图像，被认为显示了从欧罗巴南极附近喷发的水汽柱。这幅图像表明，这根水汽柱可能高达200千米，也就是喜马拉雅山高度的20倍以上。科学家指出，如果欧罗巴上真的有水汽柱喷发，也只是零星事件，最可能发生于欧罗巴距离木星最远时，这与潮汐力模型的预测是吻合的。2016年发布的“哈勃太空望远镜”图像，为欧罗巴表面水汽柱提供了更多资料。

欧罗巴潮汐力强度是月球对地球的潮汐作用强度的大约1000倍。目前，太阳系中显示出水汽柱存在的唯一一颗其他卫星是恩刻拉多斯（土卫二）。科学家估计，欧罗巴水汽柱喷射的质量大约是每秒7000千克，而恩刻拉多斯只有大约每秒200千克。如果这些估计值被证实，那么通过穿越水汽柱提取样本，就有可能对欧罗巴地下海洋进行有效分析，而无需钻穿欧罗巴的冰地壳去取样。endprint

大气层

1995年，科学家对美国“戈达德高像素光谱仪”和“哈勃太空望远镜”所拍摄图像的分析表明，欧罗巴拥有主要由分子氧组成的稀薄大气层。与地球大气压相比，欧罗巴的大气压几乎可忽略不计，但欧罗巴大气层的存在是无疑的。1997年，“伽利略号”证实欧罗巴周围存在稀薄的电离层（由带电粒子组成的上大气层），它是由太阳辐射和来自木星磁层的高能粒子创生的，这也为欧罗巴存在大气层提供了有力证据。

与地球大气层中的氧不同，欧罗巴大气层中的氧不是生物学起源的。紧贴欧罗巴表面的稀薄大气层通过辐解（分子的辐射离解）形成。太阳紫外辐射和来自木星磁层的带电粒子（离子和电子）与欧罗巴的冰地壳撞击，把水分解成氧和氢。这些组分被冰地壳吸收。但同样的辐射还造成这些组分从欧罗巴表面的碰撞性抛射，这两个过程之间的平衡就形成并维持了欧罗巴大气层。分子氧是欧罗巴大气层最稠密的成分，原因是分子氧的长寿命。在回到欧罗巴表面后，分子氧不会像水或过氧化氢分子那样被“粘”住，而是会重回大气层。分子氢则不会坠落到欧罗巴表面，因为它足够轻，能逃离欧罗巴的表面引力。

对欧罗巴表面进行的观测发现，由辐解产生的一些分子氧不会从欧罗巴表面被抛射出去。因为欧罗巴表面可能与地下海洋有互动，这些分子氧就可能进入欧罗巴地下海洋，从而可能协助生物学过程。有科学家估计，辐解产生的分子氧最终可能造成欧罗巴地下海洋的氧浓度与地球深海的氧浓度相当。

逃离欧罗巴引力的分子氢，再加上氧原子和分子氧，在欧罗巴环绕木星的轨道附近形成了一道气体环。“卡西尼号”和“伽利略号”都探测到了这道“中性云”，这些云中的原子和分子数量比环绕更靠近木星的依娥的中性云多。根据理论模型预测，欧罗巴气体环中的几乎所有原子或分子最终都会被电离，因此为木星的磁层等离子体提供一种来源。

可居住性

地球大西洋底部有被称为黑烟囱的地热喷口。在地热驱使下，黑烟囱和其他类型的地热喷口产生一种化学失衡，由此为生命提供能量。

欧罗巴被认为是太阳系中除地球外可居住性最高的地方之一。科学家认为，欧罗巴地下海洋中有可能存在生命，尤其是在与地球深海地热喷口相似的环境中。虽然欧罗巴缺乏火山地热活动，2016年美国宇航局的一项研究却发现，与地球相仿的氢和氧含量可能通过与蛇纹石化作用和冰衍生氧化剂有关的过程产生，而这些过程不涉及火山活动。科学家2015年宣布，来自地下海洋的盐有可能覆盖欧罗巴表面一些地貌。这暗示地下海洋与海底之间有互动。这在确定欧罗巴是否可居住方面可能很重要。虽然迄今为止并无证据表明欧罗巴存在生命，但因为欧罗巴可能有海水与地幔接触，这为生命创生提供了条件，所以科学家呼吁发射探测器去寻找欧罗巴生命。

由潮汐可挠性提供的能量，在欧罗巴内部推动活跃的地质过程。相似情况也发生在依娥上。但来自潮汐可挠性的能量，绝无可能在欧罗巴地下海洋中支撐像地球海洋中那么多样的生态系统，毕竟，地球海洋生态系统与地表相接，以光合作用为基础。欧罗巴生命可能聚集在海底地热喷口周围，或者集中在海底下（地球上有这样的生物）。另外，欧罗巴生命也可能存在于冰地壳的下表面，就像地球两极地区的藻类和细菌，或者自由漂浮在欧罗巴的海洋上。但如果欧罗巴的海水温度太低，类似地球的生物学过程就可能发生不了。如果欧罗巴海洋的盐度太高，那么只有喜盐生物能在这样的环境中生存。

如果证实欧罗巴的冰地壳中包裹着与地下海洋不同的湖泊，那么这些湖泊将成为另一种潜在的可居住环境。有证据显示，欧罗巴表面大部分地方都存在丰富的过氧化氢。因为过氧化氢会分解产生氧和水，所以一些科学家认为这能为简单生命形式提供能量。同时，在欧罗巴的冰地壳中也经常探测到在地球上与有机物相关的黏土样矿物质页硅酸盐。这些矿物质的存在有可能是小行星或彗星撞击欧罗巴的结果。不能排除这样一种可能性：地球生命被碰撞地球的小行星等天体炸进太空，最终飞抵木卫。

探索历史

1610年，在望远镜问世后不久，意大利天文学家伽利略发现了欧罗巴和其他3颗木卫。但由于欧罗巴个头小，对它的详尽观测直到太空时代才开始——飞行器多次飞近过这颗木卫。

1973和1974年，美国宇航局“先锋10号”和“先锋11号”飞船首次探测欧罗巴，但这两项任务的拍摄焦点是木星。1979年，间隔几个月发射的美国宇航局“旅行者1号”和“旅行者2号”飞船飞掠木星系统，顺道对欧罗巴进行了拍摄。虽然这些早期照片是在与欧罗巴有一定距离处拍摄的，但它们依然揭示了欧罗巴的冰壳表面。当时许多天文学家相信，所有卫星都与地球的卫星月球相似，几乎没有大气层。而欧罗巴这颗木卫的情况，却让他们大吃一惊。

这些照片显示，欧罗巴表面的一些暗色条纹地带有对边，并且这些条纹之间像积木一样完美啮合。这些条纹其实是裂缝，看来有暗色含冰物质流进这些裂缝，这表明欧罗巴的表面在过去一段时间里曾经很活跃。“旅行者号”拍摄的图像显示，欧罗巴表面的陨击坑数量不多。本来，在几十亿年（太阳系天体形成的时间在数十亿年前）的时间里，天体表面连续不断被陨星轰炸，直到全身伤痕累累。而欧罗巴表面陨击坑少，就说明这个表面相对年轻。这隐含的意思是：诸如含冰火山流或冰地壳在自身重量下安定下来之类的现象，导致陨击坑被抹去。

美国宇航局和欧空局联合实施的“伽利略号”任务，在1995～2003年对木星进行了多次飞近。该任务的最大成就之一，就是发现了欧罗巴地下有含盐液态海洋的广泛证据。“伽利略号”飞船的测量，表明了木星磁场在欧罗巴周围的空间怎样被扰动。这一测量强烈暗示，在欧罗巴表面下某种很深的导电液体层作用下，欧罗巴内部正在产生一种特殊类型的磁场。基于欧罗巴的含冰组成，科学家认为产生这种磁场特征的最可能物质，是一个全球性的含盐海洋。科学家期待，未来的欧罗巴探索之旅能够证实欧罗巴地下海洋的存在，并且开始探索欧罗巴的可居住性，即欧罗巴上是否存在像地球生命一样的生命，哪怕只是微生物生命。

2012年，来自“哈勃太空望远镜”的观测结果表明，欧罗巴南半球有水汽柱喷薄而出。在2014和2016年的进一步观测中发现了更多水汽柱，其中两根水汽柱喷发自“伽利略号”当年发现的那个喷口。endprint