NASA的Juno探测器提供了对木星卫星欧罗巴（Europa）冰壳的首次直接测量，估计其厚度约为18英里（29公里）。这一重大发现近期发表在Nature Astronomy上，利用Juno 2022年飞越时的数据解决了关于该卫星结构的长期科学争议。通过先进的微波技术透视冰封的表面，研究人员确定Europa拥有坚硬厚实的外部壳层，覆盖在巨大的地下液态海洋之上，这从根本上改变了我们对该卫星宜居潜力的理解。
为什么欧罗巴冰壳的厚度对宜居性至关重要？
欧罗巴冰壳的厚度对宜居性至关重要，因为它决定了养分和氧气从表面向地下海洋输送的效率。18英里厚的地壳构成了巨大的热量和物理屏障，可能限制维持生命所需的化学交换。虽然较薄的冰壳更有利于连通性，但较厚的模型表明，维持生命的进程可能依赖于特定的地质通道（如裂缝或多孔空隙），而不是直接的表面接触。
科学界对Europa的兴趣很大程度上源于“厚壳”与“薄壳”假说之争。几十年来，行星科学家一直在争论这里的冰层是只有几英里厚，还是一个巨大的构造板块。Juno的数据支持后者，这意味着该卫星的内部环境比此前希望的更加隔绝。这种隔绝意味着海洋中的任何生物活动都将取决于海床热液活动产生的化学能，或者是氧化物穿过厚重冰盖的罕见垂直输送。
地下海洋内部的热调节也受这一冰盖控制。30公里厚的冰壳提供了巨大的隔热作用，锁住了由木星巨大潮汐力产生的引力“揉捏”所形成的内部热量。这种潮汐加热（tidal heating）使水保持液态，但冰层的深度使“传送带”理论变得复杂，该理论认为表面冰层下沉并将含氧物质带入下方的盐水中。了解这些动力学过程是NASA喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory）和美国西南研究院（Southwest Research Institute）等机构研究人员的主要目标。
Juno的微波辐射计揭示了关于欧罗巴的哪些信息？
Juno的微波辐射计（MWR）数据揭示，欧罗巴的冰壳由一个厚度约为18英里的寒冷坚硬外层组成，其内部具有不规则特征。该仪器探测到的微波散射与直径几英寸、延伸至地壳数百英尺深的微小裂缝、孔隙或空隙相吻合。这些发现表明，冰层并非均匀的整体，而是受剧烈的热应力和机械应力塑造的复杂地质结构。
微波辐射计（MWR）仪器具有通过测量六个不同频率的热排放来“看穿”固体冰层的独特能力。与仅捕捉表面反射的传统相机不同，MWR可以探测到从冰层内部不同深度逸出的热量。通过分析这些不同的波长，Juno团队可以创建冰层温度和结构的垂直剖面，有效地从数千英里外对天体进行“CT扫描”。
MWR分析的关键发现包括以下结构细节：
- 热梯度：数据表明寒冷的表面与冰壳深处较温暖的冰层之间存在剧烈的温差。
- 散射中心：在整个上层冰层中普遍存在微小的空隙和裂缝，这很可能是由潮汐加热引起的。
- 电导率变化：微波信号的差异暗示冰基质中存在捕获的盐分或“卤水泡”。
- 地壳刚性：测量确认上层极其僵硬和寒冷，阻碍了下方较暖冰层的流动。
Juno的数据对即将开展的欧罗巴快船任务有何影响？
Juno关于18英里厚冰壳的数据为即将开展的欧罗巴快船（Europa Clipper）任务提供了关键约束，使科学家能够优化其雷达探测策略和仪器目标。通过建立地壳深度的基准，NASA可以更好地校准Clipper探测器的REASON仪器，以穿透冰层并寻找液态水坑。这种协同作用确保了2030年抵达的Clipper将针对Europa的具体地质现实进行优化。
Europa Clipper任务的准备工作包括确定最有希望的调查区域，例如冰层可能较薄或更活跃的区域。Juno的发现充当了侦察报告，重点标注了“混沌地形”（chaos terrain）——即破碎、位移的冰层区域——这些区域可能成为通往地下海洋的窗口。科学家现在将优先对这些区域进行高分辨率成像和光谱分析，以探测有机化合物或喷流羽流的迹象。
此外，Juno任务在MWR上取得的成功证明了在木星系统中进行多波长探测的价值。这对欧洲航天局（ESA）的JUICE任务也有直接影响，该任务也正在前往探测木星卫星的途中。通过将Juno的微波数据与未来的雷达和重力测量结果进行交叉引用，全球科学界可以建立Europa的高保真3D模型，让我们更接近于回答这个冰冷的世界是否可能孕育外星生命。
地质活动与混沌地形的演变
潮汐加热仍然是驱动Europa表面及其18英里厚冰壳演化的主要动力。由于Europa以椭圆路径绕木星运行，行星巨大的引力拉伸并压缩该卫星，在冰层内部产生摩擦和热量。这一过程负责形成“混沌地形”，在这些区域，冰面似乎已经融化，破碎成筏状，然后重新冻结成杂乱的地貌。Juno的数据表明，这些特征很可能是厚冰壳内对流的结果，而不是薄冰融化造成的。
在18英里地壳估算的背景下，对潜在喷流或水蒸气喷发的观察也获得了新的含义。如果水确实突破了表面，它必须穿过巨大的裂缝，或在剧烈压力下被向上挤压。研究人员目前正在Juno的遥测数据中寻找这些高压通道的证据。如果喷流确实存在，它们将提供隐藏海洋的“免费样本”，让未来的探测器能够飞越蒸汽并分析其化学成分，而无需复杂的钻探任务。
欧罗巴探索的下一步计划
随着Juno任务延长寿命，其重点仍放在木星系统复杂的环境中。2022年飞越期间收集的数据将被研究多年，为下一代探险家提供路线图。目标不再仅仅是确认海洋的存在，而是表征该环境的宜居性。未来的模型将纳入18英里的厚度数据，以模拟洋流、盐浓度以及生命在Europa黑暗、高压深处生存的可能性。
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