高压下形成的高熔点冰，能在海洋环境下运输营养物质？

海洋星球的生态系统是什么样的？营养物质如何循环？高压冰地幔或许提供了一种思路

外星世界可能存在奇特形式的冰，能将营养物质输送到隐藏的海洋

一种被称为“七号冰”（冰 VII）的在高压情况下由水构成的冰，已被证明不排斥盐分而能够运输它们

海洋星球世界构想图（图源：航空航天局/艾姆斯研究中心/喷气推进实验室）

新研究发现，在广阔的海洋世界中，任何潜在的外星生命都可能通过厚厚的奇特高压冰层从其行星熔融状态的核心中获得重要的营养物质，因为这些冰层可以运输盐分。

水是宇宙中最常见的分子之一，因此宇宙中被深达数百公里的海洋覆盖全球的行星可能远远多于像地球这样“较为干燥”的。这种海洋行星的例子包括“特拉比斯特-1”行星系中的几颗行星，以及GJ 1214b（围绕蛇夫座内的GJ 1214恒星公转）、开普勒-62e和开普勒-62f（后两颗均为天琴座内开普勒-62行星系中的行星）。

这些海洋底部的条件非常极端，水在这里会因高压形成一种被称为“七号冰”的结晶冰形态。“七号冰”的分子呈立方晶体结构，能够存在于压力超过 3 千兆帕斯卡（约 29,000 个大气压）、温度高达 662 华氏度（350 摄氏度）的环境中。

然而，科学家们并不能确定盐分和其他营养物质能否从行星的岩石内核，通过七号冰组成的地幔，进入液态海洋，然后再穿越地幔、回归内核。普通形态的冰在冻结时会排出盐分，但新的建模显示，七号冰冻结时可以保留盐晶体。特别的是，研究显示七号冰中可以保留高达其质量2.5 %的氯化钠，也就是通常所说的食盐。盐能够降低冰的熔点，使其（在较低温度下）软化，从而有助于含盐冰在热对流作用下上升。

在位于的同步辐射光源设施，领导这项新研究的科学家让-亚历克西斯·埃尔南德斯表示：“盐不仅可以从底部向顶部移动，也可以从顶部向底部移动。地幔底部的热冰（凝固点高于零度的冰）在重力作用下变得不稳定，因为它的温度更高、密度比周围的冰更小，这使它在地幔中向上升。正是地幔顶部和底部之间的温差形成并维持着盐的全球流动。”

这一流动可以循环利用生化结构所需的养分和盐分。尽管它们的存在并不能保证这些海洋行星的海洋中就一定存在生命，但这确实增加了这些世界成为宜居星球的可能性。

七号冰晶体（图源：巴蒂斯特·茹尔诺）

“这些发现有助于增加可居住性候选行星的数量，具有高压冰地幔的超级地球也可以被纳入考虑范围。” 西雅图华盛顿大学地球与空间科学系教授巴普蒂斯特·茹尔诺告诉太空网。茹尔诺没有直接参与研究，但他在《自然 – 通讯》期刊上为这一新研究撰写了评论。

这些研究结果还可能给我们带来新的启示。太阳系中最接近海洋行星世界的是木星和土星的一些冰卫星。虽然许多卫星都太小，不可能藏有高压结晶冰，但它们中最大的几个——木卫四（卡里斯托）、木卫三（盖尼米得）以及土卫六（泰坦）的质量都足以在1吉帕斯卡（约10,000个大气压）的条件下形成由六号冰组成的地幔。

虽然六号冰不会溶解，但研究人员以前曾探测到水合盐矿物质。这些矿物质出现上文提到的一些卫星的表面，推测可能是其冰面下海洋上涌所带来的。科学家们认为，这一发现表明（星球海洋内部）一定发生了部分盐的迁移。在木星系统中，一些卫星还具有感应磁场，这种磁场源于其导电的含盐地下海洋与木星巨大磁场之间的相互作用。

木卫三（盖尼米得）剖面图（图源：航空航天局/喷气推进实验室）

埃尔南德斯表示：“盐在这些天体中仍然扮演着重要的角色，因为它们改变了相界（即岩石、冰和液体之间的过渡区域）和水的特性，这极大地影响了这些冰卫星上冰壳和海洋的动态。”

“因此，木卫四（卡利斯托）、木卫三（盖尼米得）和土卫六（泰坦）是目前测试我们用于描述高压结晶冰渗透性的地球物理模型的最佳地点。”茹尔诺对太空网这么说。值得一提的是，科学家们会从航天局2023年发射的木星冰卫星探测任务中获得大量新数据。

这一探测任务将得到航空航天局“欧罗巴快船”任务的支持，后者将于2024年发射，访问木卫二（欧罗巴）、木卫三（盖尼米得）和木卫四（卡里斯托）。此外，航空航天局“蜻蜓”飞行器将于2027年发射，计划访问土卫六（泰坦）。

茹尔诺表示：“从冰卫星上获得的数据将极大地帮助我们理解由高压结晶冰构成的地幔在控制外星海洋的成分和可居住性方面的作用。”

然而，目前还无法对遥远的系外行星进行同样的研究。因此，就目前而言，确定海洋世界是否宜居，仍将主要依靠建模判断而非观测。

这项研究成果于2022年 6月21日发表在《自然 – 通讯》杂志上。

BY:Keith Cooper

FY: 雨上萧

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来源: 天文在线