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董琳慧,May 12, 2023
卡西尼号在土卫二的南极观察到了水冰的羽流喷出，且同时位于几条平行的巨大条纹被称之为“Tiger Stripes”的虎纹，这些特征意味着土卫二存在全球性地下海洋且海洋物质不断通过喷发输入到冰壳表面。之前研究发现，羽流喷出活动和虎纹局部热点分布的强相关性，这就意味着热量的来源是内源性的。要搞清楚土卫二羽流是如何形成的，就需要了解土卫二海洋中热量的来源，以及羽流喷发的具体机制。
土卫二南极热异常，尤其是虎纹区域。
对于冰冷的土卫二而言，形成羽流喷出的关键要素不是冰冷海水，而是内部热源的驱动。前人对土卫二南极观测的热通量进行了估计，排除了太阳辐射、放射成因热作为土卫二热量的来源，并计算认为其海洋的潮汐加热作用可以为土卫二提供持续的热量。
早期研究提出了多种可能的羽流物质喷出源，包括快速沸腾的近地表液态水储层（Porco et al, 2006），包合物的脱气（Kieffer et al, 2006)，暖冰的直接升华（Nimmo et al, 2007）。随后器测分析结果表明，羽流成分中除了水冰、气体还存在钠盐和钾盐，说明了羽流的来源是液体不是气体。由于存在不同的喷发源，具有不同的固气比，这一情况可能会变得复杂，例如可能存在固体物质很少的蒸汽流的“背景”成分。但总体而言，羽流源以液体来源为主。
在潮汐加热的推动下，土卫二海水要形成羽流喷发，还面临着艰难的任务：包括需要一条能够穿透冰壳的通道；通道显然会面临不断结冰，但必须持续畅通；必须有部分的水在不结冰的情况下通过冰壳形成羽流；过程中水必须克服其相对于周围冰的更大密度。
研究对虎纹的剪切应力进行了研究分析，发现虎纹大致与最大潮汐拉应力的两个方向之一对齐，表明它们可能是响应潮汐应力而形成的(Nimmo et al., 2007)。这可能意味着能够在虎纹断裂带内打开狭窄的垂直通道，为充满水的裂缝从冰壳底部向上传播提供现成或更容易的途径，这就解释了为什么羽流喷发基本位于虎纹带内。
潮汐作用可能为羽流通道带来的另一个作用就是湍流耗散(Kite&Rubin et al., 2016)。通过潮汐驱动通道中的湍流耗散，产生的能量可以防止裂缝冰冻，并有助于防止海洋结冰。研究模型设置了最大 2 m 的宽度，而全宽度小于 1 m 的裂缝最终会冻结关闭。该宽度明显大于根据潜热和辐射热的比率得出的地表以下数十米裂缝的0.1米的估计值，这表明裂缝可能存在向表面变窄的过程。
增压喷发模型为羽流通道形成提供了另一种可能(Lesage et al., 2020)。海洋不断结冰，压强上升，一直达到冰壳可承受最大压力，最大海洋超压是冰的抗拉强度，1~3 Mpa (Rudolph and Manga, 2009)。如果岩芯坚硬且不透水，则可能产生>106 Pa的超压(Manga and Wang, 2007)。对于>（D/10km）×105Pa的海洋超压，储水将通过挤压邻近的暖冰而膨胀，最终导致周围的冰破裂。
此外，还综合考虑通道蒸发冷却问题。淡水在4.3℃时密度最大，因此蒸发冻结的水积聚在表面不会被下面的暖水取代，会迅速冻结水面，从而使喷发停止。目前已提出了几种解决蒸发冷却问题的方法/模型：1. 如果蒸发的表面积远大于排气口的横截面积，高蒸汽压（饱和蒸汽压）推动与更深的水层的对流交换来平衡（Postberg et al., 2009; Ingersoll&Nakajima et al., 2016)。2. 如果水的盐度>16.2 g/kg，并且在水位附近被放出的气泡搅动，恒定宽度槽顶部的蒸发冷却可以被对流翻转所平衡(Ingersoll&Nakajima et al., 2016)。3. 潮汐泵导致的湍流耗散可以防止结冰(Kite&Rubin et al., 2016)。4. 由溶出气体的溶出驱动的虹吸作用可能将温暖的带气流体从海洋带到水层，而冷的脱气水则沉回海洋（Matson et al., 2012）。
被认为可能发生在连接地表虎纹与底层海洋的羽流通道过程示意图(Spenceret al., 2018)。
虎纹条带和羽流的形成，对构造活动和天体生物学具有重要启示意义。例如，土卫二的垂向物质循环仍然有待研究，羽流喷出和构造之间可能存在反馈，甚至是强耦合的。例如，流入通道底部的冰，如果持续超过106年，将导致区域冰壳的沉降（Kite和Rubin，2016）。这种下沉可能会在裂缝附近间接产生容纳空间，也许会在冰凝结的情况下保持裂缝的开放。此外，偶发性构造表面倒转（O’Neill 和 Nimmo，2010 年）既可能导致低温火山制度的转变，也可能由其引起。
在天体生物学研究方面，如果水在冰壳内的低温岩浆室中留存时限过长，可能会导致生物标记物的分解。此外，火山-构造机制将约束土卫二表面由辐射驱动的化学反应产物再循环到土卫二海洋中的速度。同时，水汽界面附近的气泡可能会浓缩生物前体物质，并将其带入羽流中(Porco et al, 2017)。
虎纹周围冰壳中可能流动的示意图(Spenceret al., 2018)。
以上关于土卫二羽流形成的机制，基本都依赖于模型推断，迄今为止只有有限的观测证实。在提供重要的约束和延展的同时，未来开展的深空探测任务将是进一步解答冰卫星和土卫二演化特征的关键。
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