那片埋藏的海洋使木星的冰卫星成为太阳系中最有希望调查地球之外是否存在适合生命条件的地方之一。然而，由罗格斯大学科学家卢金德拉·奥杰哈（Lujendra Ojha）领导的新研究表明，获取木卫二深部海洋的物质可能比此前认为的要困难得多。
测试穿越木卫二冰层的可能路径
在一项发表于《自然·天文学》（Nature Astronomy）的研究中，奥杰哈及其同事利用计算机模拟，研究了木卫二全球海洋的水是否可能通过冰层裂缝向上运移并聚集在浅层地下水库中。如果此类储水区存在，未来的航天器探测或采样这些水体将比探测远在下方的海洋容易得多。
“我们想要解开的谜团是，这段旅程是否真的可行，”罗格斯大学文理学院地球与行星科学系副教授奥杰哈说道。“液态水能否从木卫二的深部海洋上升到表面，而途中不结冰？”
结果表明，从深部海洋进入冰层上层的旅程可能性远低于许多科学家的假设。
“那里有一个冰壳，下面有水，关于这些水如何从深处来到并一路向上而不在途中冻结，存在种种推测，”奥杰哈说。“这确实是我们认为已反驳的观点。”
浅层水体可能拥有不同的来源
这一结论可能显著影响科学家对木卫二未来发现的解读。如果航天器探测到地表下的浅层液态水囊，这些水库可能并不包含源自该卫星深部海洋的水。它们反而可能是在冰壳局部融化时形成的。
这种差异很重要，因为科学家被木卫二吸引是由于液态水、化学物质和能量的结合，这些都是评估环境能否支持生命的关键因素。浅层水体比深埋的海洋更容易研究。但如果这些水库与海洋隔绝，它们可能无法提供关于木卫二最具科学吸引力环境的信息。
“木卫二快船”与JUICE探测器逼近木星
这些发现正值两项重大任务前往木星系统之际。NASA的“木卫二快船”（Europa Clipper）任务于2024年10月发射，预计将于2030年4月抵达木星。它将环绕该行星运行，并对木卫二进行49次近距离飞掠。欧洲航天局的“木星冰卫星探测器”任务（简称JUICE）于2023年4月发射，计划于2031年7月抵达木星。
这些航天器预计将共同提供关于木卫二冻结外壳、表面化学成分和潜在地下水的更JianCe图像。“木卫二快船”上的雷达可以帮助研究人员确定是否存在浅层水库，并揭示其大小和结构。
在木卫二极冷的外表深处，一片全球性海洋可能保持液态，因为木星的巨大引力反复拉伸和挤压该卫星。这种运动产生内部热量，并被困在厚厚的冰壳之下。
水能通过裂缝上升吗？
这项新研究考察了岩脉，这是一种狭窄的裂缝，理论上可以作为海水向上穿过冰层的通道。这一概念大致类似于熔岩在导致火山喷发前穿过地壳裂缝的方式。在冰冻星球上，涉及水和冰而非熔岩的类似活动被称为冰火山活动。
奥杰哈提醒说，这两个过程之间的比较存在明显的局限性。
“冰和液态水与我们在地球上看到的熔岩和火山有着根本的不同，”他说。“我认为这里缺失了一些基础物理学，所以我想要探索这一点。”
以前的模型可能低估的一个因素是湍流。早期的模拟通常假设水会以相对平滑且有组织的流态穿过木卫二的冰层上升。而罗格斯大学领导的这项研究表明，水的移动将是快速且混乱的，反复混合并撞击裂缝的冷壁，将其热量迅速传递给周围的冰层。
“上升的水体将会是湍流的，”奥杰哈说。“它会左右流动，上下翻腾，会有旋转运动。一旦发生这种情况，液态水在接近表面时会冷却得非常、非常快。”
冰晶可能堵塞路径
随着上升水体流失热量，它可能会变得过冷，即温度降至正常冰点以下仍保持液态。在这种状态下，被称为片冰的小晶体可能开始形成。随着时间的推移，这些晶体可能会积聚并堵塞裂缝。
根据模拟，狭窄的裂缝可能在几小时内冻结封闭。较大的裂缝在理想条件下可能输送更多的水，但湍流使这些情况也变得不太有利。研究团队发现，要输送足够的水来形成木卫二可见的某些表面特征，将需要长度不切实际或数量异常庞大的裂缝。
这些发现指向了木卫二的另一种景象：任何浅层液态水可能都是独立于全球海洋形成的。它们并非从深处向上运移，而可能是在局部热量融化部分冰壳时产生的。
“我们的工作表明，木卫二的冰壳可能是比此前假设的更强的海洋与表面之间的屏障，”奥杰哈说。“这有助于未来的任务解读其发现，并更好地理解去哪里寻找宜居迹象。”