为什么土卫二的南极有条纹?

简介：研究者通过土卫二的地球物理模型来调查物理力量，这些物理力量是其虎皮纹得以形成且持久不变的原因。条纹只在土卫二的南极形成且彼此平行是因为土卫二与土星间的相互作用及轨道偏心。土卫二是目前已知唯一有虎皮纹的冰态卫星。

自从1981年旅行者2号首次近距离掠过土卫二之后，科学家就一直深深的被土卫二所吸引着。而当2004年卡西尼号探测器抵达土星以后，关于土卫二的种种谜团变得更加扑朔迷离，其中包括在其南极地区发现的四个平行的线状裂缝。比起土卫二表面的其他部分，这些裂缝的外观是如此与众不同，它们因此得了个昵称叫做“虎皮纹”。

自从这些裂缝被发现，科学家们就一直试图回答它们是什么，以及最初是什么创造了它们。好消息是，由卡内基科学研究所领导的新研究揭示了支配这些裂缝的物理机制，包括它们与土卫二上喷发活动的关系，为什么它们会出现在土卫二南极附近，以及为什么其他天体没有类似的特征。

这项研究由卡内基研究所地磁系研究员道格·海明威领导，研究成果《自然天文学》杂志上发表。团队成员还包括另外两位行星科学家，分别是加州大学戴维斯分校的麦克斯韦尔·鲁道夫和加州大学伯克利分校的迈克尔·曼加。

根据卡西尼号的重力探测，艺术家想象的土卫二内部结构。

来源:美国国家航空航天局喷气推进实验室和加州理工大学

研究小组使用了土卫二的地球物理模型来研究使“虎皮纹”形成且持久不变的物理力量。他们尤其想搞明白为什么这些条纹只出现在土卫二的南极，以及为什么它们的间隔如此均匀。海明威解释说:“当我们第一次通过卡西尼号看到这些条纹时，它们与我们太阳系中已知的其他任何东西都不一样。它们平行且间隔均匀，长约130公里，间隔35公里。特别有趣的是，水冰不断地从这些列风中喷出，包括现在我们说话的时候。从没有其他的冰态行星或卫星有类似的东西。”

第一个问题的答案是相当有趣的，模型表明，这些条纹状的裂缝是可能随机在两极形成的，它们只是先在南极形成了而已。至于裂缝形成的原因，则是与土卫二与土星的相互作用及其轨道的离心率有关。

具体来说，土卫二需要一天多一点的时间(确切地说是1.37天)来完成土星的一圈轨道运行。土卫二与相邻的土卫四形成了平均为2:1的运动轨道共振，导致土卫二有着0.0047的轨道离心率。土卫二的轨道半径最短为236,918公里(147,214英里，即近拱点)，最长为239,156公里(148,605英里，即远拱点)。

土星的卫星和它们各自的轨道相互之间的关系。来源:美国航天局/喷气推进实验室

轨道离心率导致了土卫二的拉伸和弯曲，引起其内部加热和地热活动，使得土卫二在内核-地幔边界存在着一个地下海洋。而在两极，重力引起的变形所产生的影响最大，导致这里的冰层变薄从而形成了这些裂缝。

这个过程也导致了冷却期，在此期间，土卫二的一部分地下海洋将会冻结。这种不断融化和冻结的过程会导致冰层从底部变厚或变薄，造成压力的变化从而导致裂缝。由于两极的冰层更薄，所以最容易开裂，使得在两极出现虎皮纹。

这些裂缝的名字都来自阿拉伯民间故事《一千零一夜》中的城市：亚历山大裂缝、开罗裂缝、巴格达裂缝和大马士革裂缝。研究小组认为巴格达裂缝是第一个形成的，之后没有再冻结。而水冰从裂缝内部不断地喷发出来，最终形成了另外三个平行的裂缝。

一般来说，从星体表面喷出的水柱在太空中会重新冻结，然后在土卫二表面形成雪。当雪沿着巴格达裂缝的边缘堆积时，累积的重量给冰层增加了另一个压力来源。正如马克斯·鲁道夫所解释的，这不仅解释了这些裂缝是如何形成的，而且解释了为什么它们彼此平行。

一幅描绘土卫二地壳内部横截面的艺术作品，展示了水热活动如何导致土卫二表面的水冰喷发。

工作人员：美国航天局-戈达德太空飞行中心，美国航天局喷气推进实验室-加州理工，西南研究院

“我们的模型解释了裂缝的规则间距，”他说，“这导致了冰层的弯曲，刚好足以引发35公里外的平行裂缝。”

同样的机制也解释了为什么土卫二的裂缝仍然张开，并不断地喷出大量的水。土卫二与土星之间的潮汐相互作用导致了一个持续的拉伸和弯曲周期，这就防止了裂缝的闭合，反而确保了它们有规律地扩大和缩小。

至于为什么这种情况会发生在土卫二上，而不是其他卫星，比如木卫三、木卫二、土卫六和其他“海洋行星”，这取决于它们的大小。较大的卫星有更强的引力，可以防止潮汐相互作用造成的裂缝一直张开到内核。因此，土卫二是目前唯一已知的有虎纹的冰态卫星。正如海明威所言：“由于这些裂缝，我们得以取样并研究土卫二的地下海洋，这是天体生物学家所钟爱的。我们认为了解形成并维持它们的力量是很重要的。我们对土卫二的冰层所经历的物理效应的建模，指出了能够形成这些独特的条纹并让它们存在的一系列事件和过程。”

在接下来的几十年里，人们将发射另一项研究土星系统的任务，对土卫二进行更详细的探索。目前卡西尼号获得的数据已经证实，从土卫二的裂缝中喷出来的成分中含有有机分子。未来的任务将试图确定在土卫二的冰层下，是否存在着外星生命。

作者: Matt Williams

FY: Lindsey07

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