海洋世界的低重力可能有助于维持暖水循环

2023 年 1 月，KSM 火山口底部新近安置的熔岩丘（自 2018 年以来呈黑色，带有黄色热液矿物染色）。ROV Jason 准备将温度传感器插入最近喷发的熔岩中新形成的热液喷口（黄色染色区域，右下角）。（©伍兹霍尔海洋研究所）

加州大学圣克鲁斯分校团队成员领导的一项新研究使用复杂的计算机模型来研究外太阳系海洋世界的低重力影响如何影响海底水流和热流。

这项工作是 NASA 多机构“探索海洋世界”计划的一部分，由伍兹霍尔海洋研究所 (WHOI) 高级科学家克里斯·杰曼 (Chris German) 领导。它为了解海底热液喷口（地球上一些最原始的生命形式就存在于其中）在太阳系外围绕巨行星运行的其他“海洋世界”卫星上出现的可能性提供了新的线索。

2023 年 1 月，ROV Jason 的机械臂使用等压气密 (IGT) 采样器在卡马埃瓦卡纳洛阿海山 (KSM) 收集温暖 (~40°C) 的喷口流体。（©伍兹霍尔海洋研究所）

我们的太阳系包含许多“海洋世界”，即目前或过去曾有过液态海洋的行星和卫星。其中一些海洋世界可能在内部释放足够的热量来驱动热液循环——水流入海底，循环、变暖，然后流回。在地球上，这些流动可以携带热量和化学物质，其中一些是维持茂盛的海底生态系统的关键。这些岩石-热-流体系统是在 20 世纪 70 年代在地球海底发现的，许多科学家认为它们可能存在于我们太阳系的其他地方——这是一个非常有趣的话题，特别是因为有可能维持生命。加州大学圣克鲁斯分校的研究团队与蓝色大理石空间科学研究所、伍兹霍尔海洋研究所和南特大学的同事合作，在《地球物理研究杂志：行星》上发表了他们的新研究，展示了地球上看到的热液系统在其他海洋世界的低重力条件下可能有何不同。

许多人都听说过地球海底的高温喷口，有时也被称为“黑烟囱”，其中温度超过 300°C（远高于地球海平面水的沸点）的流体喷入海洋，沉积金属矿石并帮助维持外来生命。虽然这些高温系统主要由海底火山活动驱动，但大量流体以较低的温度流入和流出地球海底，主要由地球的“背景”冷却驱动。

“就排放的水量而言，流经低温喷口的水流量相当于地球上所有河流和溪流的流量，约占地球热量损失的四分之一，”这项研究的主要作者、加州大学圣克鲁斯分校地球和行星科学 (EPS) 杰出教授安德鲁·费舍尔 (Andrew Fisher) 说。“大约每 50 万年，整个海洋的体积就会被抽进和抽出海底。”

“之前对木卫二和土卫二（木星和土星的卫星）热液循环的许多研究都考虑了高温流体，卡通和其他图画经常描绘海底系统，看起来像地球上的黑烟囱，”加州大学圣克鲁斯分校 EPS 研究员、新论文第三作者 Donna Blackman 解释道。“低温流动至少同样可能发生，甚至更有可能发生。”

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这篇论文的第二作者、加州大学圣克鲁兹分校 EPS 博士候选人克里斯汀·迪克森解释了这项研究的基础，“我们研究了地球海底下的一个海水循环系统，该系统已经被研究了好几年。它是在西北太平洋深处发现的，那里凉爽的海底水通过一座海山（一座死火山）流入，流经 50 公里，然后通过另一座海山流出。”这些水在流动时会聚集热量，流出时比流入时更热，而且化学性质也大不相同。研究人员使用了为该地球系统开发的计算机模型，改变了重力值，并研究了流量在各种条件下会如何变化（例如不同的加热量、岩石特性、流体循环深度）。

从一个海山流向另一个海山的流动是由浮力驱动的，因为水在变暖时密度变小，在冷却时密度变大。密度的差异导致岩石中的流体压力不同，而该系统由流动本身维持。“我们称之为热液虹吸，”费舍尔说，“只要有热量供应，岩石特性继续允许循环，它就能运行。”一些海洋世界被大潮汐加热，当海洋世界在围绕巨行星的偏心轨道上弯曲时，潮汐会产生热量。

新论文表明，当重力低于地球时，推动海底水流进出海底的浮力较小——这往往会减缓水的循环并带走热量。同时，重力较低时浮力较小也会导致海底以下的二次混合较少，而这一过程往往会消耗能量，从而减少露头之间的流动。

新论文中介绍的一项令人兴奋的模拟结果是，在极低重力条件下（如土星小卫星土卫二的海底），循环可以持续数百万年或数十亿年，温度低至中等，即贯穿整个太阳系的生命周期。这可能有助于解释重力远低于地球的小型海洋世界为何能在海底下拥有长寿命的流体循环系统：低效率的热量提取可能导致相当长的寿命。此外，一些模拟导致喷口流体温度高达 150°C，略高于地球生命的上限，尽管海底下的循环相对较浅。总体而言，这些模拟表明，低重力会显著改变温度和流速，因此与地球上的流体化学性质相比，可能会影响喷口流体的化学性质。

行星科学家正在寻求卫星任务的观测结果，以帮助确定海洋星球上存在或可能存在哪些条件。新论文的作者团队将于今年秋季晚些时候与合作开展“探索海洋世界”项目的同事一起参加在佛罗里达州卡纳维拉尔角举行的欧罗巴快船航天器的发射。

伍兹霍尔海洋研究所的 German 也是这篇论文的合著者，他表示：“这项研究的一个重要成果是，它表明低温（对生命来说不太热）热液系统在地球以外的海洋世界维持的时间可能比类似生命在地球上首次出现的时间要长得多。因此，外太阳系的海洋世界也可能适宜居住，甚至可能存在生命。”