【博科园-科学科普】太阳系已经被证明是一个令人惊讶的地方，也许最大的惊喜之一是地球并不是唯一一个表面有液态水的世界。当然火星上有一小部分是暂时存在的，但是像木星的卫星欧罗巴，土星的土卫二，甚至是超远的冥王星都有巨大的地下海洋，其中一些世界的水比地球还要多。然而与地球甚至火星不同，这些行星离太阳如此遥远，如此寒冷以至于最温暖的地表温度甚至从未接近水的熔点。那么它们是怎么有液态水的呢？
土卫二(Enceladus)的土卫二(Enceladus)，其高度反光的表面显示出持续的新鲜表面冰的存在和丰富，就像太阳系中没有其他卫星一样。图片版权：NASA / Cassini-Huygens mission / Imaging Science Subsystem
土卫二以及科学家们如何相信它的水冰壳下面有液态水。最温暖的表面温度是- 90摄氏度。这个卫星怎么能有液态水呢？在这样的低温和低压下，土卫二似乎可以有水冰和水气，但不能有液体，让我们从地球上开始了解到水。
水有三态：液体、固体(冰)和气态(空气中不可见的水汽)。云是水滴的累积，由蒸汽饱和的空气凝结。图片版权：Kim Hansen / Wikimedia Commons
在地球上水可以分三种形式存在：固态、液态和气态，这取决于它存在的温度。低于32°F(0°C)水冻结成冰，但低于212°F(100°C)水是液体，超过212°F(100°C)它的存在是气态的水蒸气。这是你小时候学习水存在的方式，而且大部分都是对的。但是有一些条件可以使水的行为有很大的不同。例如如果你住在高海拔地区，比如波哥大、哥伦比亚、基多、厄瓜多尔或者玻利维亚的El Alto，那里都有超过100万的居民，你的水就会在更低的温度下沸腾。(在美国落基山脉的大部分地区，虽然地势较低，但海拔也很低。)
水的一个详细的相图，显示不同的固体(冰)状态，液体状态和蒸气(气体)状态，以及它们发生的条件。注意在251k(或- 22 C/-8 F)以下，液态水在任何压力下是不可能的。图片版权：Wikimedia commons user Cmglee
这是因为周围的压力会影响水的沸点和冰点。在太空深处没有大气，液态水是不可能的，水只能存在于固体或气态。但在地球上水在较低的压力下沸腾，而冻结的水，如果施加足够的压力，实际上会融化并变成液体。这后一点常常让人感到惊讶，直到他们被要求考虑溜冰鞋。如果你在没有冰鞋的情况下到冰面上，那是非常滑的，很难控制你的动作或获得牵引力使得鞋子滑过冰面，但由于冰鞋所有的力都集中在一个单一的叶片上，增加了多次冰的压力，使它暂时液化成水状状态。
花样滑冰选手在冰面上滑行，因为他们的冰鞋掠过水面，增加了足够大的压力，使冰变成了冰片下面的液态水。图片版权：Public domain image
当涉及到水的时候，还有一些其他的东西值得考虑，水的冰点取决于溶解在水里的东西。如果你曾经在冰箱里放了一瓶伏特加，你就会知道水和40%的酒精混合在一起的温度不会和纯水一样，但在一个更低的温度下。我们的海洋溶解盐也经历一个较低的凝固点比纯水28°F(2°C)大约4%盐度的内容。所以可以有比水的正常冰点更冷的温度，仍然有液态水，这取决于它里面有什么。这是火星最显著的特征之一，在那里纯净的液态水应该是无法存在的。
反复出现的边坡lineae像这样一个朝南坡上的火山口米拉斯峡谷的地板上，不仅可以增长随着时间的推移,然后逐渐消失，火星景观让他们充满了灰尘，但众所周知是由于海水流动的液态水。图片版权：A.S. McEwen et al., Nature Geoscience 7, 53–58 (2014)
在火星表面的压力和温度下，液态水应该是不可能的。但由于一些火星土壤含盐量很高，当水在表面凝结时它可以存在于液相中。在陨石坑壁的斜坡上流动的通道——被称为“循环坡”是地球以外另一个世界表面液态水的第一个直接证据。
然而如果我们放眼太阳系，再到欧罗巴(Europa)、土卫二(Enceladus)，甚至远至冥王星(Pluto)的世界就没有可发现的地表水。
欧罗巴是太阳系最大的卫星之一绕木星运行。在冰冻冰冷的表面之下，海水的液态水被木星的潮汐力加热。图片版权：NASA, JPL-Caltech, SETI Institute, Cynthia Phillips, Marty Valent
对这些世界的仔细观察只显示了冰山。是的它是水冰，但这些世界的温度在地球到太阳距离的许多倍。意味着温度不仅没有方法32°F(0°C)的温度需要液态水在地球表面,但他们从不方法所需的温度有液态水在任何允许的压力。不过如果我们要走到这些世界冰冷的表面之下，我们就会离得更近，因为在所有的冰下都有巨大的压力增加。
由于新视野的Ralph /多光谱视觉成像相机(MVIC)的观测，冥王星和Charon的颜色增强了。冥王星冰冻的表面只是故事的一部分;一汪洋的地下水面潜藏在冰点之下。图片版权：NASA/JHUAPL/SwRI
在我们头顶的大气层中，整个60英里(100公里)的大气层会产生我们在海平面上所感受到的大气压力，但它只需要在水下再增加34英尺(10米)就能使这种压力加倍。在另一个世界上冰可以很容易地达到数万英尺厚，产生巨大的压力，使我们接近液相。即使有了在冰中存在的带盐的沉积物，液态水也不会有一个额外的因素：热源。值得庆幸的是每一个星球都有一个热源：附近有一个巨大的轨道伴星。
新视野所观察到的地质特征和科学数据表明，在冥王星表面的一个巨大的深度冰层下，有一个地下海洋，它环绕着整个地球。图片版权：James Keane
木卫二，恩克拉多斯土星。冥王星有它附近的卫星卡绒。这三种情况下它们结合了大质量和相对接近的特征，在这些世界上施加了非常大的潮汐力。这些力量不仅会在它们的外层造成轻微的变形，还会拉伸、压缩和剪切这些世界的内部，使它们升温。如果你计算出潮汐加热的量，再加上上面冰的压力和外层冰的压力，终于到达了你一直在寻找的东西：冰下的液态海洋。
作用于土星卫星上的潮汐力足以使其冰冷的地壳分离并加热内部，使地下的海洋能够喷发出数百公里的空间。图片版权：NASA / JPL-Caltech / Cassini
欧罗巴在其表面出现了巨大的裂缝，证据表明冰层已经断裂，水已经出现在过去。恩克拉多斯的地下海洋是最壮观的，从地表喷出大量的液态水，并向太空延伸数百公里。恩克拉多斯的羽状物是如此的戏剧化，以至于他们甚至要为土星光环的形成。最后冥王星也许是最大的惊喜，决定在其冻结的表面之下有一个水下的液态水。在那里有水、热和溶解的化学物质，这是可以想象的——尽管是很投机的在这些世界的表面之下也可能有比水更好的东西。
土卫二在其岩石内核和冰壳之间的全球液态水海洋的说明。这里显示的层厚度不是按比例来的。图片版权：NASA / JPL-Caltech
在这样的世界里阳光从不会渗透到可能会产生生命的液体海洋中，可能会有生命吗？这是可能的，在这三个世界中可以想象，恩克拉多斯可能是第一个被测试的人。它的间歇泉意味着它在阳光下催化一些可能产生生命的生物化学分子，然后再落回冰的卫星表面。在足够长时间的时间里，有足够的冰积累在上面，压力会使冰再次变成液体，也许会在这个世界上创造一个长期的、生命的循环。为了找到答案我们不需要挖或撞到卫星上的探测器，而仅仅是通过Enceladus的一个间歇泉发射任务并收集样本。地球上的生命能否如此轻易地在太阳系中到达？也许如果我们幸运的话，有一天我们会发现。
作者：Ethan Siegel（天体物理学家）
来自：Forbes science
编译：中子星
审校：博科园
