木卫二冰冷的表面可能成为化学热点

木卫二是木星的一颗卫星，在这张来自美国国家航空航天局伽利略号宇宙飞船的增强彩色图像中，木卫二看起来像一个厚厚的新月，该飞船自1995年以来一直围绕木星运行。该视图结合了1998年和1995年用紫、绿和近红外滤光片拍摄的图像。这些颜色已经被拉伸，以显示覆盖木卫二结冰表面的材料的细微差异。

科学家宣布，实验室的化学实验模拟了木星冰冷的月球木卫二上的条件，为分子在外星世界上的反应提供了新的细节。

研究表明，水和二氧化硫是“酸雨的关键成分”，它们可以在木卫二厚厚的冰层上，甚至在冰层内部快速而容易地发生反应。

在冰的下面，人们认为存在着一个液态海洋。科学家们已经知道这些化合物可以以液体形式反应，但他们需要新的实验来了解这种反应也可能发生在木星卫星的表面，那里的温度比冰点低数百度。

此外，研究人员说，由于这种反应是在没有辐射的情况下发生的，它可能会在整个欧洲的冰层搜寻过程中发生。如果是这样的话，这一发现可能会改变科学家对木卫二以及其他卫星性质的理解。

“这对于理解欧洲冰壳的化学和地质是一个极其重要的结果，”行星辐射诱导化学专家罗伯特·E·约翰逊说。约翰逊是弗吉尼亚大学夏洛茨维尔分校的工程物理学教授，他并没有参与这项新的研究。

木星的卫星化学

马里兰州格林贝尔特NASA戈达德太空飞行中心的科学家MarkLoeffler是这项研究的主要作者。他说：“当人们在木卫二上谈论化学时，他们通常会谈论由辐射驱动的反应。”

由于欧洲的表面温度徘徊在零下225到零下300华氏度（零下143到零下184摄氏度）之间，大多数化学反应都需要通过辐射或光注入能量来促进。

在木卫二上，这种能量通常来自木星上由磁场形成的辐射带中的带电粒子。这些粒子可以到达月球417000英里（671100公里），但它们只穿透月球表面一英寸。因此，木卫二化学模型通常仅限于此。

该研究的合著者、戈达德天体化学实验室副实验室主任雷吉·哈德森说：“一旦你到达木卫二表面以下，它就会变得又冷又固体，你通常不会期望在这种条件下事情发生得很快。”

“但根据我们所描述的化学性质，”Loeffler补充道，“你可以有33或330英尺（10或100米）厚的冰，如果它含有二氧化硫，你就会发生反应。”

测试水域

远程观测表明，木卫二的冰中存在硫。这种化学元素起源于木星的另一颗卫星木卫一的火山，分子被电离并输送到木卫二，在那里它们可以嵌入冰中。

另外的硫可能来自木卫二冰层下的液态海洋。

尽管如此，“植入的硫或任何地下硫的命运尚不清楚，这取决于冰壳的地质和化学性质，”Johnson说。

在他们的研究中，研究人员模拟了木卫二上的条件，并在高真空室中将水蒸气和二氧化硫气体喷射到四分之一大小的镜子上。

镜子被冷却到大约零下280到零下370华氏度（零下173到零下223摄氏度）的温度，当被喷洒时，气体立即凝结成冰。

然而，即使在冰的形式下，水和二氧化硫的浓度也会降低，因为它们会反应形成不同的化学产物和带电离子。

Speedyreactions

Loeffler和Hudson发现，尽管温度极低，但水和二氧化硫的分子在结冰的状态下反应迅速。

Loeffler说，在大约-25华氏度的温度下，这代表了木卫二预期温度的温暖结束，反应实际上是瞬间的。他说，在零下280华氏度的温度下，反应在半天到一天后完成。

Loeffler说：“如果这听起来不快，请记住，在地质时间尺度上，每天‘数十亿年’比眨眼还快。”

为了测试其作用，研究人员添加了冷冻二氧化碳，也称为干冰，这种物质通常存在于包括木卫二在内的结冰物体上。

Hudson说：“如果冷冻的二氧化碳阻断了反应，我们就不会有兴趣了，因为那样反应可能与木卫二的化学性质无关。”“这将是实验室的好奇心。”

但这一发现仍在继续，不仅对木卫二，而且对其他同时存在水和二氧化硫的地方，包括木星的两颗卫星木卫三和木卫四，都具有重要意义。

但等等，还有更多

研究人员还发现，这种化学反应产生了出乎意料的高产率，产生的带电离子会与其他分子反应。这一发现可能为未来的化学研究开辟新的道路。

“Loeffler和Hudson的研究结果表明，真正有趣的酸碱反应正在发生，”位于加利福尼亚州帕萨迪纳的美国国家航空航天局喷气推进实验室的高级研究科学家Robert Carlson说，他与这两位研究人员合作，但不是这项研究的合著者。“我很想看看当添加其他物种时会发生什么，以及卫星表面的少量二氧化硫如何影响整体化学。”

研究人员希望未来通过航天器对木卫二的观测能够证实他们的实验室发现。

这项研究的结果发表在10月2日出版的《地球物理研究快报》上。