木衛(wèi)二：遠(yuǎn)征路上的水基地

■ 孫天錫

木衛(wèi)二是木星的第六顆已知衛(wèi)星，論大小它是老四，其表面物質(zhì)為水冰。木衛(wèi)二與木衛(wèi)一一樣，都是巖質(zhì)星球，而且它們的主要化學(xué)組分亦大體一致，都是由硅酸鹽巖石構(gòu)成，只是木衛(wèi)二只有一層薄薄的冰的外殼（資料表明，其表面冰層的厚度不超過(guò)150千米）。從“伽利略”號(hào)傳回的資料表明，木衛(wèi)二內(nèi)部擁有層狀結(jié)構(gòu)，很可能其小小的內(nèi)核是熔融的。

木衛(wèi)二的表面完全不像內(nèi)太陽(yáng)系中任何一顆星球的表面。它是幾乎絕對(duì)光滑的，只在極少的地方高出水平面幾百米。木衛(wèi)二上很少能看到隕石坑，到目前為止，直徑大于5000米的隕石坑只發(fā)現(xiàn)了三個(gè)。這些事實(shí)表明木衛(wèi)二表面的冰層十分年輕，可能只有3000萬(wàn)年的歷史。

有裂谷的衛(wèi)星亦有水

與我們的月球一樣，在木星的許多衛(wèi)星上，隕石坑也很多。那么，木衛(wèi)二上的隕石坑為什么那么少呢？是否正是因?yàn)槠鋬?nèi)部的某種構(gòu)造活動(dòng)“抹去了”大部分隕石坑呢？當(dāng)然，還有其他的一些說(shuō)法，譬如：氨或者甲烷的升華物侵蝕掉了木衛(wèi)二的大部分地形。此外，木衛(wèi)二表面那犬牙交錯(cuò)的裂隙亦表明木衛(wèi)二內(nèi)部一定存在活躍的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，其證據(jù)相當(dāng)確鑿：

1.冰板塊。盡管人類尚未登陸木衛(wèi)二，但我們從“伽利略”號(hào)發(fā)回的圖像中，已能看出那里存在著某些活動(dòng)的跡象：小塊的冰殼就像冰筏漂浮在無(wú)形的海洋上，有的傾斜翹起，有的原地旋轉(zhuǎn)；暗色的冰條和巖石條帶看起來(lái)是從某一個(gè)擴(kuò)張脊向外擴(kuò)張的。這些暗色條帶就像七巧板一樣拼合在一起，從而隔出了若干跨度達(dá)幾百千米的、冰的板塊。美國(guó)航空航天局總部的道格拉斯·伊斯貝爾和加州帕薩迪納噴射推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的富蘭克林·奧唐奈認(rèn)為，恰恰是木衛(wèi)二上那些冰火山的噴冰和構(gòu)造板塊的折騰，重整了木衛(wèi)二凌亂的表面。

伽利略影像組成員、亞利桑納大學(xué)的羅納德·格里利博士明確指出：“木衛(wèi)二冰殼處處體現(xiàn)出各種板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)交疊的跡象，在許多地區(qū)，我們看到冰殼曾以擴(kuò)張的形式被拉開(kāi)過(guò)，就如同地球的海底正在發(fā)生的那樣。”

2.軟流圈。探測(cè)器圖像表明，木衛(wèi)二表面那些龐大的冰板塊顯然正在斷開(kāi)并互相分離著，有的翹起，有的旋轉(zhuǎn)。假如木衛(wèi)二的冰板塊也是漂浮在水面上的話，這種運(yùn)動(dòng)的最早方式也許就像地球極地的浮冰塊那樣。如果那些七巧板似的碎塊能如此巧妙地拼合在一起，其邊緣又能如此吻合，那它下面一定是或曾經(jīng)是液體，或者至少是半黏性狀態(tài)的冰，就如同地球上的軟流圈一樣。

3.島弧。木衛(wèi)二表面有不少弧形脊，類似地球上一個(gè)巖石圈板塊向另一個(gè)巖石圈板塊俯沖時(shí)形成的島弧。這就暗示，木衛(wèi)二的弧形脊可能是壓性的。

4.裂谷。伽利略影像組成員、亞利桑納大學(xué)的羅伯特·蘇里文博士指出，木衛(wèi)二的表面被十分復(fù)雜的脊嶺系統(tǒng)交叉覆蓋著。他說(shuō)：“無(wú)論從什么角度來(lái)看，木衛(wèi)二的脊嶺都是很明顯的。而雙脊這種形式則是最常見(jiàn)的?！?/p>

5.應(yīng)力場(chǎng)。在重力場(chǎng)作用下，木衛(wèi)二受制于木星及其其他衛(wèi)星的不同方向的引力拖曳。在木星的每一天里，木衛(wèi)二被動(dòng)地交替引張和壓縮。然而，木衛(wèi)二外殼又是剛性的，這種伸縮最終導(dǎo)致其外殼破裂。這一過(guò)程緩慢而持久，并可導(dǎo)致冰火山和間隙泉的噴發(fā)。而我們的地球在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其板塊則主要承受著經(jīng)向力與重力的合力在水平面南北方向上分力的擠壓。至此，木衛(wèi)二的板塊構(gòu)造已能與地球的相類比（見(jiàn)下面的表格）：

地球與木衛(wèi)二的板塊構(gòu)造

木衛(wèi)二上存在裂谷，存在板塊運(yùn)動(dòng)，那么，它上面能有水存在嗎？回答大多是肯定的。有科學(xué)家認(rèn)為，木衛(wèi)二反復(fù)伸縮所產(chǎn)生的熱量足以融化很深的冰層，造就了地表下的湖泊或海洋。

不少科學(xué)家相信，木衛(wèi)二的冰殼下存在著液態(tài)海洋，并可能深達(dá)100千米！亞利桑納大學(xué)的科學(xué)家認(rèn)為，除非在冰殼下存在著液態(tài)海洋，否則就無(wú)法用任何機(jī)制來(lái)解釋下述被稱為“彎曲”的現(xiàn)象：

“彎曲”表現(xiàn)為一串弧形裂隙，就像平面上的波浪?！皬澢鷺?gòu)造”在整個(gè)太陽(yáng)系中是很獨(dú)特的，是由“航海者”號(hào)于1979年發(fā)現(xiàn)的，之后則由“伽利略”號(hào)負(fù)責(zé)對(duì)此特殊現(xiàn)象的研究。

負(fù)責(zé)該研究的亞利桑納大學(xué)博士格雷戈里·H.霍帕認(rèn)為，由于木衛(wèi)二軌道受到比它大的另兩顆衛(wèi)星——木衛(wèi)一和木衛(wèi)三的影響而變得有點(diǎn)古怪，使得它與木星之間的距離忽近忽遠(yuǎn)。這就導(dǎo)致那個(gè)假設(shè)的地下海洋產(chǎn)生潮汐，忽漲忽落。經(jīng)過(guò)計(jì)算，這種潮汐的漲落可達(dá)30米之多，從而可導(dǎo)致木衛(wèi)二冰殼的“彎曲”現(xiàn)象。

當(dāng)這種潮汐應(yīng)力超過(guò)冰殼的抗拉強(qiáng)度時(shí)，裂隙就產(chǎn)生了。這種裂隙沿著波狀曲線在木衛(wèi)二表面延伸，直到潮汐應(yīng)力逐漸減弱到小于冰殼的抗拉強(qiáng)度?！皬澢鷺?gòu)造”上的每一段弧長(zhǎng)約200千米，要形成它只需3.5天，正好等于木衛(wèi)二沿木星的軌道周期。格雷戈里·H.霍帕很風(fēng)趣地說(shuō)：“你大概可以跟得上它們的裂開(kāi)速度，它們延伸到哪兒，你可以開(kāi)車跟到哪兒。此外，由于那兒沒(méi)有足夠的空氣來(lái)傳播聲音，所以你只能依靠感覺(jué)到的振動(dòng)來(lái)觀察它的裂開(kāi)?！蹦拘l(wèi)二在其冰殼下到底有沒(méi)有液態(tài)海洋，最終的答案可能要再等些時(shí)間。美國(guó)航空航天局曾計(jì)劃在2003年再做一次木衛(wèi)二的軌道探測(cè)，包括使用穿透冰殼的雷達(dá)、使用機(jī)器人探測(cè)器來(lái)探測(cè)冰殼下到底有沒(méi)有海洋。但可惜的是，我們并沒(méi)有看到下文。

值得指出的是，木衛(wèi)二的大氣層中還有分子氧。這一結(jié)論是由巴爾的摩約翰斯·霍普金斯大學(xué)和太空探測(cè)科學(xué)院的研究聯(lián)隊(duì)共同得出的，已發(fā)表在《自然》雜志上。

工程所在地區(qū)基準(zhǔn)路面結(jié)構(gòu)溫度調(diào)整系數(shù)為0.92，計(jì)算得到溫度調(diào)整系數(shù)kT2為0.94。對(duì)于無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定粒料，疲勞開(kāi)裂模型參數(shù)a＝13.24，b＝12.52。彎拉強(qiáng)度為1.8MPa。

在已得到研究的太陽(yáng)系61顆衛(wèi)星中，除木衛(wèi)二外，還有3顆衛(wèi)星存在大氣層：木星的木衛(wèi)一、土星最大的衛(wèi)星土衛(wèi)六以及海王星最大的衛(wèi)星海衛(wèi)一。

約翰斯·霍普金斯大學(xué)的首席研究員多伊爾·霍爾指出：“木衛(wèi)二的氧氣是那樣稀薄，以至于其表面壓力只相當(dāng)于地球的1/107。假如將木衛(wèi)二所有的氧氣放在地球大氣壓力下壓縮的話，最多只能灌注12個(gè)休斯敦航天艙。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡在如此遠(yuǎn)的距離竟能逮住如此稀薄的氣體痕跡，實(shí)在是令人驚嘆！”

與地球上21%含量的氧氣不一樣，木衛(wèi)二氧氣的成因主要是非生物的。木衛(wèi)二冰殼暴露于太陽(yáng)光下，并受到帶電粒子和帶電塵埃的撞擊，所有這一切使得冰殼表面產(chǎn)生水蒸氣和水分子的氣體狀碎片。一旦這些氣體狀水分子形成，一系列化學(xué)反應(yīng)也就隨之產(chǎn)生，并最終形成氫、氧分子。相對(duì)輕的氫逃逸至太空，較重的氧留了下來(lái)，形成了200千米厚的大氣層。

有了水體，有了分子氧，那么生命呢？有人警告說(shuō)，不要把木衛(wèi)二上發(fā)現(xiàn)的稀薄氧氣曲解為生命的證據(jù)。木衛(wèi)二距離太陽(yáng)太遙遠(yuǎn)了（7.8億千米），以至于其表面溫度竟然冷到－145℃，因此，不可能支持生命系統(tǒng)。

但仍然有人認(rèn)為：“地球生命的三大必備條件，木衛(wèi)二好像都具備。木衛(wèi)二存在水冰是明顯的，太陽(yáng)系普遍存在有機(jī)物也是一種常識(shí)，最大問(wèn)題是如何評(píng)價(jià)產(chǎn)生于木衛(wèi)二內(nèi)部的熱。圖像表明，木衛(wèi)二冰板塊的運(yùn)動(dòng)已證明木衛(wèi)二有足夠的熱能?！泵绹?guó)模擬實(shí)驗(yàn)亦得出結(jié)論，當(dāng)太空隕石撞擊木衛(wèi)二時(shí)，有可能產(chǎn)生放電現(xiàn)象，所產(chǎn)生的電流及火花能夠?yàn)閺?fù)雜有機(jī)物的產(chǎn)生創(chuàng)造條件。

人類遠(yuǎn)征路上的補(bǔ)水基地

地球人類要開(kāi)始遠(yuǎn)征，絕不會(huì)向著太陽(yáng)進(jìn)發(fā)，總不能“飛蛾撲火”吧？人類的遠(yuǎn)征路途只能背著太陽(yáng)，沿著火星→木星→土星→天王星→海王星→冥王星這樣的路線，因此，木衛(wèi)二是必經(jīng)之地。

木衛(wèi)二與地球的直線距離大約為6.84億千米。我們到達(dá)木衛(wèi)二需要多長(zhǎng)時(shí)間呢？

太空飛船的速度問(wèn)題一直是個(gè)十分嚴(yán)肅的問(wèn)題。首先，要把一艘飛船加速到接近光速需要消耗極大的能量；其次，飛船以這樣高的速度飛行，不管碰到什么東西，都會(huì)造成巨大損害。就拿以1/10光速飛行的飛船為例，如果碰上一粒沙子，其效果就相當(dāng)于引爆1噸T N T炸藥！于是，美國(guó)科羅拉多州鮑爾航空航天技術(shù)公司的基爾斯頓教授提出了他的方案：以光速的1/500，也即每小時(shí)80.78萬(wàn)千米的速度進(jìn)行航天為最佳。

假如他的觀點(diǎn)是正確的，而且能夠?qū)嵤┑脑挘敲?，要到達(dá)6.84億千米之外的木衛(wèi)二，路上大約只需要846小時(shí)，即35.25天！

然而，人類的飛船目前還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到這種速度?；鹦潜饶拘l(wèi)二要近得多，從地球飛到火星目前就需半年時(shí)間。我們不妨據(jù)此來(lái)推算一下人類飛船目前的實(shí)際速度：

地球與火星的距離是有變化的，其范圍為5570萬(wàn)～12000萬(wàn)千米。為了推算方便，取其平均距離8785萬(wàn)千米。這段距離既然需要半年的時(shí)間，那么，人類飛船目前的實(shí)際速度約為20000千米/時(shí)。顯然，這20000千米/時(shí)的實(shí)際速度根本就不能與基爾斯頓提出的80.78萬(wàn)千米/時(shí)的最佳速度相比，還差得遠(yuǎn)呢！

現(xiàn)實(shí)一點(diǎn)，如以20000千米/時(shí)的實(shí)際速度來(lái)測(cè)算，那么，我們從地球飛到木衛(wèi)二的時(shí)間約為3.9年。看來(lái)，一路上一點(diǎn)補(bǔ)給的水都沒(méi)有，卻要飛行將近4年，這無(wú)論如何是一種災(zāi)難。雖然用于航天器運(yùn)轉(zhuǎn)的燃料電池工作的副產(chǎn)品之一就是水，但航天器上的氫與氧能夠維持更長(zhǎng)時(shí)間的宇航需要嗎？我們?yōu)槭裁床怀浞掷媚拘l(wèi)二表面如此豐富的水冰來(lái)制造更多的氫、氧，以補(bǔ)給星際遠(yuǎn)征的需要呢？