物理現象恐阻礙人類採集外星生命樣本的最佳機會

太空機構和億萬富豪們目前大多仍聚焦於火星。然而，若地球之外、太陽系之記憶體在生命，那麼可能性最大的應該是在眾多擁有內部海洋的冰質衛星之中。

倘若這種生命確實存在，它極有可能在海洋與內部岩石交界的熱液噴口附近繁衍，這種環境被認為與地球海洋底部的環境相差無幾。然而，尋找這種生命的希望，寄託於其產物能夠迴圈至這些海洋的表面，再進入太空。而在這方面，氣象學家和海洋學家卻給計劃添了麻煩。

儘管目前已知或懷疑存在許多內部海洋，但過去十年來，最令人興奮的發現之一聚焦於土星的衛星土衛二，因為它的間歇泉提供了一條從海洋通往太空的通道。有觀點認為，未來的任務只需飛越間歇泉的噴霧，就能採集到海洋樣本。

遺憾的是，這項新研究的研究人員指出，冰質羽流只是龐大水域表層的樣本，而非整個海洋。雷丁大學的研究報告主要作者弗林·艾姆斯在一份宣告中表示：「想像一下，僅透過採集地球海洋表面的水來探測深海中的生命，這就是我們在土衛二面臨的挑戰，況且我們還不完全瞭解這片海洋的物理特性。」

艾姆斯及其合著者試圖弄清楚，巨大的洋流是否會攪動海洋，使上層海水能夠反映出最有趣的深層資訊。艾姆斯稱：「我們發現，土衛二的海洋應該就像罐子裡的油和水一樣，各層之間難以進行垂直混合。這些自然屏障可能會將生命的顆粒和化學痕跡困在深海數百年甚至數十萬年。此前，人們認為這些物質可以在幾個月內有效地到達海洋表面。」研究作者擔心，在這段時間裡，生命的分子證據可能會分解。

根本問題在於，當海洋接近冰殼邊界時會冷卻。和大多數物質一樣，水通常在冷卻時會收縮，密度變大。然而，接近零度時，純水開始膨脹，為結冰做準備，冰因其密度較低而漂浮。艾姆斯及其同事指出，如果每公斤鹹水的鹽含量低於20克，也會出現這種情況。

研究作者寫道：「這意味著，從上方冷卻海水，非但不會引發對流，反而會增加水的浮力，促進冰殼下分層的形成。」當這種現象發生在地球的淡水湖泊中時，被稱為「逆分層」。

研究團隊針對土衛二的海洋提出了三種情景：傳統的對流驅動混合（左上）、存在逆分層但潮汐作用力不同的情況（下），以及溫度和鹽度如何影響膨脹係數，這可能決定哪種情景是真實的（右上）。圖片來源：艾姆斯等人/《通訊地球與環境》，知識共享4.0許可協議。

研究團隊採用了一系列合理的土衛二海洋鹽度和混合作用力資料，但有可能我們對這顆衛星的某些關鍵資訊尚不清楚，因此模型中有所缺失。更複雜的是，研究作者認為，在間歇泉所在的極地附近，海洋的分層比赤道地區更明顯。

然而，如果這一結論正確，那麼這不僅對搭載化學分析裝置、相對低成本的土星系統探測任務構成打擊。其他進入這些海洋的方案，比如使用蛇形機器人穿過裂縫採集液態水樣本，也只能採集到接近表層的樣本。很少有機器能夠承受熱液噴口附近的壓力。

逆分層現象可能在其他冰殼保護液態海洋免受太空寒冷影響的星球上也是個問題。然而，其他研究人員指出，這種效應在壓力較低的較小星球上更為明顯，這使得土衛二比木衛二或同類的許多其他衛星更容易受到影響。

這些衛星的熱液噴口比其他恆星周圍與地球更相似的行星近數萬倍，但要到達那裡可能幾乎同樣困難。這項研究已在《通訊地球與環境》期刊上公開發表。