国际研究团队（包含来自东京科学大学地球生命科学研究所（ELSI）的研究人员）近期深入探讨了土卫二（Enceladus）地下海洋水体如何转化为最终在太空中被探测到的微小冰粒，其研究结果揭示了远比科学家预期更为复杂的物理和化学过程。
卡西尼号发现惊人的多样化冰粒
在2004年至2017年期间，美国宇航局（NASA）的“卡西尼号”探测器上的宇宙尘埃分析仪对土星E环中单个冰颗粒的成分进行了测量。这个环状结构不断由土卫二喷发出的物质所补充。
由柏林自由大学的Frank Postberg教授领导的研究团队检查了被称为“3型粒子”的富盐颗粒的961个质谱。如果这些冰粒仅仅是相同海洋水的简单微小样本，科学家们原本预期它们的盐分混合比例会大致相似。
然而，实际情况却是这些冰粒的成分差异巨大。
其中一些冰粒特别富含氯化钠，而另一个则含有更高浓度的碳酸盐、磷酸盐或氯化钾。一个特别显著的规律是：氯化物和碳酸盐极少同时出现在同一个富钠颗粒中。
这引发了一个根本性的谜题：如果所有这些冰粒都源自同一个海洋，为什么它们的化学成分会相差如此之大？
在实验室中重现土卫二的海洋液滴
为了探究这一问题，ELSI的关谷靖人（Yasuhito Sekine）教授及其同事在实验室中制造了包含土卫二海洋中普遍存在的各种主要盐类的液滴。
研究人员在不同的冷却条件下冷冻了不同大小的液滴，随后研究了化学元素在液滴固化后是如何分布的。
研究结果表明，冷冻的速度起到了决定性的作用。
在直径约200微米的液滴中，当冷冻过程相对较慢（速率约为每分钟10开尔文或更低）时，各种盐类会分离到不同的区域中。而当液滴冷冻速度较快时，其化学成分则保持得更为均匀。
“令我们惊讶的是，卡西尼号所观测到的多样性竟然可以从本质上源自相同海洋水的液滴中产生，”关谷靖人表示，“我们的实验表明，当相对较大的海洋液滴缓慢冷冻时，不同的盐分可以在其中发生分离。如果这些冷冻的液滴随后破碎，它们就会产生更小的冰粒，而每一个冰粒都具有截然不同的化学成分。”
穿越土卫二冰层的缓慢旅程
这一发现同时揭示了土卫二冰壳内部所发生的过程。
先前的研究通常假设土卫二的海水喷雾会迅速冻结，并在离开海洋后不久便快速向太空移动。而这项新实验则指向了一种截然不同的情景。
这些液滴在最初阶段可能会以慢得多的速度通过地下喷口系统，沿着冰层裂缝中的复杂路径缓慢上升，最终才接近地表。
研究人员推测，海洋喷雾首先会形成大小从几十微米到几百微米不等的液滴。当这些液滴缓慢穿过喷口较深区域时，它们逐渐冻结，从而为盐分分离到不同区域留出了充足的时间。
在靠近地表的地方，环境条件发生了变化。气体开始加速运动，被冻结的液滴可能会以高速度撞击狭窄冰质通道的内壁。这种剧烈的碰撞可能将液滴击碎成更小的碎片。
每一个碎片都可能源自原始冻结液滴内部不同的富盐区域，从而创造出化学成分千差万别的冰粒。随后，这些碎片得以逃逸至太空，成为土星E环的一部分。
“卡西尼号的数据向我们表明，这些富盐冰粒的化学多样性远超平均海洋成分的预期，”Postberg指出，“将这些观测结果与冷冻实验相结合，为我们提供了一个物理解释：卡西尼号可能采样到了较大冷冻海洋液滴的碎片，每一个碎片都保留了其在向地表运移过程中发生分离的不同组分。海洋中每种单一组分的丰度，最终反映在其特定组分被发现的碎片数量上。”
土卫二或可自然浓缩关键化合物
这一发现对于未来针对土卫二的探测任务可能具有重大意义。
随着液滴的冻结与破碎，单一的化合物可以在特定的冰粒中实现浓缩。这一过程不仅分离了不同的盐类，早期研究还表明，有机物质也可以彼此分离，并在某些颗粒中呈现出升高的浓度。
这无疑会使未来的分析工作变得容易得多。
在土卫二海洋中高度稀释并与许多其他物质混合在一起的化合物，在被浓缩到单个冰颗粒中之后，将变得更加易于检测。
在地球上，实验室通常需要花费大量精力在分析样品之前对化学物质进行分离和浓缩。而土卫二似乎自然完成了这两步“样品制备”步骤：化学成分不仅实现了分离，其中一部分还浓缩在了一小部分冰颗粒之中。
对前生物化学的潜在启示
缓慢冻结过程还可能带来另一个重要后果。
随着冰晶的生长，小型的液态盐水袋可能会被困在冰晶之间。盐类和有机化合物在这些微小空间内可以达到极高的浓度。
这种高浓度状态对前生物化学（即生命出现之前可能发生的一系列化学过程）具有重要意义。此类化学研究的一大主要挑战，在于如何将原本高度稀释的分子紧密地聚集在一起进行接触。
由于土卫二喷发出的绝大部分物质最终会落回月球表面，这种冻结、浓缩与循环的过程可能会不断重复发生。
因此，理解土卫二如何形成其冰粒，不仅能够解释卡西尼号那些不同寻常的测量数据，还为我们提供了关于该卫星表面下隐秘环境的新线索，并有助于未来的航天器在搜寻宜居性证据和可能的生命迹象时，对所收集的颗粒做出正确的解释。