其它星球的液態水怎麼可以永遠都不會結冰？

【博科園-科學科普】太陽系已經被證明是一個令人驚訝的地方，也許最大的驚喜之一是地球並不是唯一一個表面有液態水的世界。當然火星上有一小部分是暫時存在的，但是像木星的衛星歐羅巴，土星的土衛二，甚至是超遠的冥王星都有巨大的地下海洋，其中一些世界的水比地球還要多。然而與地球甚至火星不同，這些行星離太陽如此遙遠，如此寒冷以至於最溫暖的地表溫度甚至從未接近水的熔點。那麼它們是怎麼有液態水的呢？

圖註：

土衛二(Enceladus)的土衛二(Enceladus)，其高度反光的表面顯示出持續的新鮮表面冰的存在和豐富，就像太陽系中沒有其他衛星一樣。圖片版權：NASA / Cassini-Huygens mission / Imaging Science Subsystem

土衛二以及科學家們如何相信它的水冰殼下面有液態水。最溫暖的表面溫度是- 90攝氏度。這個衛星怎麼能有液態水呢？在這樣的低溫和低壓下，土衛二似乎可以有水冰和水氣，但不能有液體，讓我們從地球上開始了解到水。

圖註：

水有三態：液體、固體(冰)和氣態(空氣中不可見的水汽)。雲是水滴的累積，由蒸汽飽和的空氣凝結。圖片版權：Kim Hansen / Wikimedia Commons

在地球上水可以分三種形式存在：固態、液態和氣態，這取決於它存在的溫度。低於32°F(0°C)水凍結成冰，但低於212°F(100°C)水是液體，超過212°F(100°C)它的存在是氣態的水蒸氣。這是你小時候學習水存在的方式，而且大部分都是對的。但是有一些條件可以使水的行為有很大的不同。例如如果你住在高海拔地區，比如波哥大、哥倫比亞、基多、厄瓜多或者玻利維亞的El Alto，那裡都有超過100萬的居民，你的水就會在更低的溫度下沸騰。(在美國落基山脈的大部分地區，雖然地勢較低，但海拔也很低。)

圖註：

水的一個詳細的相圖，顯示不同的固體(冰)狀態，液體狀態和蒸氣(氣體)狀態，以及它們發生的條件。注意在251k(或- 22 C/-8 F)以下，液態水在任何壓力下是不可能的。圖片版權：Wikimedia commons user Cmglee

這是因為周圍的壓力會影響水的沸點和冰點。在太空深處沒有大氣，液態水是不可能的，水只能存在於固體或氣態。但在地球上水在較低的壓力下沸騰，而凍結的水，如果施加足夠的壓力，實際上會融化並變成液體。這後一點常常讓人感到驚訝，直到他們被要求考慮溜冰鞋。如果你在沒有冰鞋的情況下到冰面上，那是非常滑的，很難控制你的動作或獲得牽引力使得鞋子滑過冰面，但由於冰鞋所有的力都集中在一個單一的葉片上，增加了多次冰的壓力，使它暫時液化成水狀狀態。

圖註：

花樣滑冰選手在冰面上滑行，因為他們的冰鞋掠過水麵，增加了足夠大的壓力，使冰變成了冰片下面的液態水。圖片版權：Public domain image

當涉及到水的時候，還有一些其他的東西值得考慮，水的冰點取決於溶解在水裡的東西。如果你曾經在冰箱里放了一瓶伏特加，你就會知道水和40%的酒精混合在一起的溫度不會和純水一樣，但在一個更低的溫度下。我們的海洋溶解鹽也經歷一個較低的凝固點比純水28°F(2°C)大約4%鹽度的內容。所以可以有比水的正常冰點更冷的溫度，仍然有液態水，這取決於它裡面有什麼。這是火星最顯著的特徵之一，在那裡純凈的液態水應該是無法存在的。

圖註：

反覆出現的邊坡lineae像這樣一個朝南坡上的火山口米拉斯峽谷的地板上，不僅可以增長隨著時間的推移,然後逐漸消失，火星景觀讓他們充滿了灰塵，但眾所周知是由於海水流動的液態水。圖片版權：A.S. McEwen et al., Nature Geoscience 7, 53–58 (2014)

在火星表面的壓力和溫度下，液態水應該是不可能的。但由於一些火星土壤含鹽量很高，當水在表面凝結時它可以存在於液相中。在隕石坑壁的斜坡上流動的通道——被稱為「循環坡」是地球以外另一個世界表面液態水的第一個直接證據。

然而如果我們放眼太陽系，再到歐羅巴(Europa)、土衛二(Enceladus)，甚至遠至冥王星(Pluto)的世界就沒有可發現的地表水。

圖註：

歐羅巴是太陽系最大的衛星之一繞木星運行。在冰凍冰冷的表面之下，海水的液態水被木星的潮汐力加熱。圖片版權：NASA, JPL-Caltech, SETI Institute, Cynthia Phillips, Marty Valent

對這些世界的仔細觀察只顯示了冰山。是的它是水冰，但這些世界的溫度在地球到太陽距離的許多倍。意味著溫度不僅沒有方法32°F(0°C)的溫度需要液態水在地球表面,但他們從不方法所需的溫度有液態水在任何允許的壓力。不過如果我們要走到這些世界冰冷的表面之下，我們就會離得更近，因為在所有的冰下都有巨大的壓力增加。

圖註：

由於新視野的Ralph /多光譜視覺成像相機(MVIC)的觀測，冥王星和Charon的顏色增強了。冥王星冰凍的表面只是故事的一部分;一汪洋的地下水面潛藏在冰點之下。圖片版權：NASA/JHUAPL/SwRI

在我們頭頂的大氣層中，整個60英里(100公里)的大氣層會產生我們在海平面上所感受到的大氣壓力，但它只需要在水下再增加34英尺(10米)就能使這種壓力加倍。在另一個世界上冰可以很容易地達到數萬英尺厚，產生巨大的壓力，使我們接近液相。即使有了在冰中存在的帶鹽的沉積物，液態水也不會有一個額外的因素：熱源。值得慶幸的是每一個星球都有一個熱源：附近有一個巨大的軌道伴星。

圖註：

新視野所觀察到的地質特徵和科學數據表明，在冥王星表面的一個巨大的深度冰層下，有一個地下海洋，它環繞著整個地球。圖片版權：James Keane

木衛二，恩克拉多斯土星。冥王星有它附近的衛星卡絨。這三種情況下它們結合了大質量和相對接近的特徵，在這些世界上施加了非常大的潮汐力。這些力量不僅會在它們的外層造成輕微的變形，還會拉伸、壓縮和剪切這些世界的內部，使它們升溫。如果你計算出潮汐加熱的量，再加上上面冰的壓力和外層冰的壓力，終於到達了你一直在尋找的東西：冰下的液態海洋。

圖註：

作用於土星衛星上的潮汐力足以使其冰冷的地殼分離並加熱內部，使地下的海洋能夠噴發出數百公里的空間。圖片版權：NASA / JPL-Caltech / Cassini

歐羅巴在其表面出現了巨大的裂縫，證據表明冰層已經斷裂，水已經出現在過去。恩克拉多斯的地下海洋是最壯觀的，從地表噴出大量的液態水，並向太空延伸數百公里。恩克拉多斯的羽狀物是如此的戲劇化，以至於他們甚至要為土星光環的形成。最後冥王星也許是最大的驚喜，決定在其凍結的表面之下有一個水下的液態水。在那裡有水、熱和溶解的化學物質，這是可以想像的——儘管是很投機的在這些世界的表面之下也可能有比水更好的東西。

圖註：

土衛二在其岩石內核和冰殼之間的全球液態水海洋的說明。這裡顯示的層厚度不是按比例來的。圖片版權：NASA / JPL-Caltech

在這樣的世界裡陽光從不會滲透到可能會產生生命的液體海洋中，可能會有生命嗎？這是可能的，在這三個世界中可以想像，恩克拉多斯可能是第一個被測試的人。它的間歇泉意味著它在陽光下催化一些可能產生生命的生物化學分子，然後再落回冰的衛星表面。在足夠長時間的時間裡，有足夠的冰積累在上面，壓力會使冰再次變成液體，也許會在這個世界上創造一個長期的、生命的循環。為了找到答案我們不需要挖或撞到衛星上的探測器，而僅僅是通過Enceladus的一個間歇泉發射任務並收集樣本。地球上的生命能否如此輕易地在太陽系中到達？也許如果我們幸運的話，有一天我們會發現。

作者：Ethan Siegel（天體物理學家）

來自：Forbes science

編譯：中子星

審校：博科園

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！