在外太阳系的冰冻地带，土星卫星恩克拉多斯的地质活动异常丰富，而且这背后的驱动力正是液态水。
恩克拉多斯的剖面图。除了在这颗卫星的冰冻地表留下疤痕的撞击坑，恩克拉多斯地表还有平原、裂谷、山脊和裂缝等多种地貌，且地势都比较平缓。地表之下则是冰壳，按照现在的引力测量结果绘制的模型，恩克拉多斯冰壳的平均厚度大约是20千米，但南极地区要薄一些。冰壳之下则是一片包裹着核心部分的全球性海洋
过去几十年里，行星科学领域最令人兴奋的发现之一就是恩克拉多斯地表喷发出的水。恩克拉多斯是土星的一颗小卫星，表面为冰所覆盖，它的喷发物中含有冰粒和水蒸气。喷发出来的部分冰会以雪的形式落回恩克拉多斯地表，这颗星球因此成了我们太阳系中表面反射率最高的天体之一。喷发物中的那些小冰粒不仅为土星的E环提供了养分，而且同水蒸气一道，为我们研究恩克拉多斯的内部结构（包括这颗卫星的岩石内核、一片可能适宜孕育生命的地下液态水海洋以及喷发出水体的地表裂缝）和动力学机制打开了一扇窗户。
这些喷发现象的起点位于恩克拉多斯南极附近的一系列裂缝。卡西尼探测器在2004—2017年间探索了土星及其卫星，用各种设备——包括紫外、可见光、红外光谱仪，质谱仪和粒子分析器——研究了恩克拉多斯喷发物的性质。汇总后的测量结果显示，恩克拉多斯喷出的气体主要是水蒸气，还有一小部分其他挥发物。挥发物的总质量流量随时间而变化，平均大约是每秒数十千克冰粒子，气体的质量流量还要大一个数量级。在本文中，我们讨论几种可能导致恩克拉多斯喷发的物理机制。
壳层游戏
虽然研究人员最初争论的是，这些喷发物究竟来自水体还是冰壳中含气冰的分解，但冰颗粒和二氧化硅纳米颗粒中盐分的存在表明，恩克拉多斯喷发物其实来自一片与这颗卫星核心部分接壤的海洋。通过测量恩克拉多斯引力、形状以及冰壳潮汐振动的振幅，我们已经可以确定，这颗土星卫星冰壳下方存在一片全球性海洋。因此，目前看来，喷发的源头应该在恩克拉多斯的内部海洋，水蒸气从南极附近的裂缝射出冰壳。
恩克拉多斯位于冰冷的外太阳系，直径不过250千米。然而，就是在这样一个小天体上，却存在活跃的水喷发现象。这便提出了几个问题：恩克拉多斯是怎么保持较高的温度以维持那片液体海洋的？地表的那些裂缝又是怎么来的？没有这些裂缝，我们可看不到这种喷发现象。裂缝内的水为什么没有结冰？为什么这些裂缝只出现在南极？所有这些问题现在都还没有得到解答。即便如此，我们还是希望提出一些相对比较直观的解释。
土星的另一颗卫星狄俄涅每绕土星运动一周，恩克拉多斯就绕土星两周。也就是说，这两颗卫星处于轨道共振状态。这让恩克拉多斯的轨道变成了椭圆，并且引发了周期性的潮汐形变。在这种形变过程中，会有热量散发出来，从而让恩克拉多斯内部保持一定温度，以维持液态海洋的存在。也正是这种潮汐形变产生的热量导致填满了裂缝的水没有结冰。
而这些裂缝可能就是同恩克拉多斯的地下海洋一道形成的，其成因都是恩克拉多斯轨道与潮汐热耗散之间的相互反馈。当卫星内部因潮汐形变而耗散的热量减少时，冰壳就变厚了。冰壳底层附近的水结冰时体积会增加，从而压缩了地下海洋并拉伸了卫星地表。 当这种拉伸效应产生的压力变得足够大时，恩克拉多斯地表就会形成裂缝。
恩克拉多斯的引力很弱，因而整个冰壳受到的压力都很低，一旦有裂缝出现就可以穿透整个冰壳。由于南极地区的冰壳最薄，而且冰壳潮汐形变以及海洋循环产生的热量又最高，所以裂缝在这里最为明显，水蒸气也从这里的裂缝喷发出去。
喷发机制
恩克拉多斯水喷发的具体过程因所在位置和高度的不同而变化。在裂缝中，由于水和冰的密度差异，水会从冰壳底部上升到接近地表的位置。水位线就是水的三相点，也即水、冰、水蒸气三者共存的位置。就在水位线的上方，压力的下降，导致水大部分都沸腾成了水蒸气，并且还夹带了少许水滴。这些水滴随蒸汽喷出地表凝固后可能就形成了卡西尼号采集到的含盐冰粒子。
当满足两个条件时，作为一级近似，我们可以把裂缝中水蒸气和冰的流动近似看作绝热——这意味着，能量只以功的形式转移到环境中。这两个条件分别是：一、水蒸气和冰的流动必须足够快，快到它们与裂缝壁之间的热量交换可以忽略不计；二、喷发出来的粒子和气体必须保持在热力学平衡状态，且水蒸气、水和冰都必须以同一速度运动。
夹杂着冰粒子的水蒸气在不断攀升的过程中，收到的压力会不断减小并逐渐冷却。水蒸气会在冰粒子表面凝结，形成新的粒子，从而演变成一种粒子和气体的混合物。喷口处气流的流速很可能会受到限制。
这种混合物在通过裂缝和喷口时产生的压力限制了喷发过程中的水蒸发率和总质量流量。在恩克拉多斯的地表上空，喷发而出的混合物以超音速膨胀进入太空，形成了壮观的喷射羽流。羽流进一步膨胀后，气体分子的平均自由程就变得大到无法进一步凝结了。于是，这些羽流变得越来越稀，在我们看来，它们就是越来越薄。随着热量不断辐射到宇宙空间中，它们也不再以恒定的熵继续膨胀。
在裂缝内部和喷口上方，急速膨胀的气体可以把最小的冰粒子加速到逃逸速度，离开恩克拉多斯。至于那些更大一些的粒子，速度就达不到那么快，只能沿着抛物线轨迹落回恩克拉多斯地表。
至于恩克拉多斯内部究竟发生了什么，比如冰壳是否可以产生液态水，以及喷发的源头是否必须是内部海洋，有没有可能是冰壳，物理学家们就没那么肯定了。了解恩克拉多斯内部海洋以及喷发物的组成，对研究其宜居性乃至可能存在的生物的特征至关重要。另外，喷发物和地表裂缝的几何形状、喷发事件的持续时间、潮汐调节喷发事件的方式以及喷发集中在卫星南极区域的原因，这些问题仍旧悬而未决。
拟议中的恩克拉多斯轨道登陆任务会在这颗卫星的轨道上收集新鲜的羽流物质，同时还会释放登陆器在卫星地表收集样本。这是美国2023—2032行星科学与天体生物学十年研究规划目前优先考虑的两大任务之一。相信在不远的将来，新一代仪器会帮助我们更好地探明维持恩克拉多斯喷发现象的地化过程和物理过程，更好地掌握其地下海洋的宜居性，更好地搜寻这些喷发物中的生命（无论是现在可能存在的，还是过去曾经存在过的）迹象。
资料来源 Physics Today
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本文作者迈克尔·曼加（Michael Manga）是加州大学伯克利分校地球与行星科学系主任、教授；马克斯·鲁道夫（Max Rudolph）是加州大学戴维斯分校地球与行星科学系副教授