一个包括东京科学大学地球生命科学研究所（ELSI）研究人员在内的国际团队，现已调查了这些海水从地下渗出并最终成为太空中探测到的微小冰粒时究竟发生了什么。
卡西尼号发现惊人多样的冰粒
2004年至2017年间，NASA卡西尼号探测器上的宇宙尘埃分析仪测量了土星E环中单个冰粒的成分。该环的物质持续由土卫二喷发的物质补充。
由柏林自由大学弗兰克·波斯特伯格（Frank Postberg）教授领导的团队检查了961个来自富盐冰粒（被称为3型粒子）的质谱。如果这些冰粒仅仅是同一海水的微小样本，科学家们可能会预期它们含有大致相似的盐类混合物。
然而，这些冰粒的差异极大。
一些冰粒特别富含氯化钠，而另一些则含有较高量的碳酸盐、磷酸盐或氯化钾。一个特别引人注目的规律是，氯化物和碳酸盐很少同时出现在同一个富钠粒子中。
这引发了一个基本的谜题。如果所有这些冰粒都来自同一个海洋，为什么它们的化学成分会有如此大的差异？
在实验室中重现土卫二的海洋液滴
为了探索这个问题，ELSI的关根康人（Yasuhito Sekine）教授及其同事制造了包含据信存在于土卫二海洋中的主要盐类的实验室液滴。
研究人员在不同冷却条件下冷冻了不同大小的液滴，然后研究了液滴凝固后化学元素的分布情况。
结果表明，冷冻速度起着至关重要的作用。
在直径约200微米的液滴中，当冷冻相对缓慢地发生（速度约为每分钟10 K或更低）时，盐类会分离到不同的区域。当液滴冷冻得更快时，其化学成分则保持更加均匀的混合。
关根说：“令我们惊讶的是，卡西尼号观测到的多样性可能源自本质上来自同一海水的液滴。我们的实验表明，当相对较大的海洋液滴缓慢冷冻时，不同的盐类可以在其内部分离。如果这些冷冻液滴随后碎裂，它们可以产生小得多的冰粒，每个冰粒都具有截然不同的化学成分。”
在土卫二冰层中更缓慢的旅程
这些发现可能还揭示了这颗卫星冰壳内部发生的一些情况。
早期的研究通常假设，土卫二喷出的海水在离开海洋后不久就会迅速冷冻并快速向太空移动。而新的实验指向了另一种情景。
这些液滴最初可能在地下喷口系统中移动得慢得多，沿着冰层裂缝中复杂的路径前进，然后才接近表面。
研究人员提出，海洋喷雾首先形成大小从几十到几百微米不等的液滴。当这些液滴缓慢穿过喷口较深的区域时，它们会逐渐冷冻，使盐类有足够的时间分离到不同的区域。
接近表面时，条件发生了变化。气体开始移动得更快，冷冻的液滴可能会高速撞击较窄冰通道的壁。这些碰撞可能会将液滴撞成更小的碎片。
每个碎片可能来自原始冷冻液滴内不同的富盐区域，从而产生化学成分截然不同的冰粒。这些碎片随后可以逃逸到太空中，成为土星E环的一部分。
波斯特伯格说：“卡西尼号的数据向我们表明，这些富盐冰粒的化学多样性远超平均海洋成分所暗示的程度。将这些观测结果与冷冻实验结合起来，为我们提供了一个物理学解释：卡西尼号可能采集了较大冷冻海洋液滴的碎片，每个碎片保留了在向表面移动过程中分离出来的不同成分。海洋中每种单一成分的丰度随后反映在发现该特定成分的碎片数量上。”
土卫二可能自然浓缩关键化合物
这一发现对于未来前往土卫二的探测任务可能尤为重要。
随着液滴冷冻和碎裂，单个化合物可以浓缩在特定的冰粒中。这个过程不仅分离了不同的盐类。早期的研究还表明，有机物质也可以相互分离，并在某些粒子中以升高的浓度出现。
这可能会使未来的分析变得容易得多。
在土卫二海洋中被高度稀释并与许多其他物质混合的化合物，在浓缩到单个冰粒中时可能会变得更容易检测。
在地球上，实验室在分析样品之前通常要花费大量精力来分离和浓缩化学物质。土卫二似乎自然地执行了这两个“样品制备”步骤：化学成分被分离，并且一些成分最终浓缩在一小部分冰粒中。
对前生物化学的潜在影响
缓慢冷冻可能带来另一个重要后果。
随着冰晶的生长，微小的液态卤水囊可能会被困在它们之间。盐类和有机化合物可以在这些囊内变得高度浓缩。
这种浓缩对于前生物化学可能很重要，前生物化学涉及可能先于生命出现的化学过程。这种化学的一个主要挑战是让通常非常稀薄的分子彼此密切接触。
因为从土卫二喷发出来的大部分物质最终会落回这颗卫星上，这种冷冻、浓缩和回收过程可能会一次又一次地发生。
因此，了解土卫二如何形成其冰粒不仅解释了卡西尼号不同寻常的测量结果。它还提供了关于该卫星表面下隐藏环境的新线索，并可能帮助未来的航天器在寻找宜居性证据和可能的生命迹象时，正确解释它们收集到的粒子。