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土卫二内部持续的热液活动

自然体积519，页面207 - 210 (2015）引用本文

主题

摘要

从土星卫星恩塞拉多斯的羽流中探测到富含钠盐的冰粒，这表明这些冰粒是由液态水储藏库中冰冻的液滴形成的，液态水储藏库是或曾经与岩石接触过1，2．引力场测量表明，在30至40公里厚的冰壳下，有一个厚度约10公里的区域南极次表层海洋3.．这些发现暗示了土卫二核心周围区域的岩石-水相互作用。由此产生的化学“足迹”预计将被保存在液体中，随后向上运输到近地表羽流源，在那里它们最终将被喷射出来，并可以由航天器测量4．在这里，我们报告了对富含硅的纳米级尘埃颗粒的分析5，6，7，8(所谓的流粒子)，从土星特有的水冰为主的物体中脱颖而出。我们将这些颗粒解释为纳米尺寸的SiO2(二氧化硅)颗粒，最初嵌在土卫二地下水域释放的冰颗粒中，并在土星E环的溅射侵蚀中释放出来。流颗粒的组成和有限的尺寸范围(半径2至8纳米)表明，与全球范围的地热活动有关的正在进行的高温(>90°C)热液反应，将热液产物从至少40公里深的海底迅速输送到土卫二的羽流。

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图1:识别粒子成分。
图2:二氧化硅纳米颗粒形成的最低温度。
图3:土卫二内部示意图。
图4:e环颗粒中二氧化硅纳米颗粒的浓度。

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下载参考

确认

我们感谢CDA团队、卡西尼号项目和NASA的支持。这项研究得到了日本教育、文化、体育、科学和技术部的科学研究资助，日本科学促进会和日本国立自然科学研究所的天体生物学计划的部分支持。这项工作得到了DLR 50 OH1103拨款的部分支持。我们感谢J. Schmidt, M. Y. Zolotov和D. J. Tobler的讨论，以及E. S. Guralnick, J. K. Hillier, A. Rasca和T. Munsat对写这封信的建议。Y.S.感谢A. Okubo在FE-SEM图像拍摄方面的技术帮助。

作者信息

作者指出

  1. 徐翔文、弗兰克·波斯特伯格和关根康仁:这些作者对这项工作做出了同样的贡献。

作者及隶属关系

  1. 科罗拉多大学大气与空间物理实验室，博尔德80303，美国科罗拉多州

    徐祥文，萨沙·肯普夫Mihály Horányi &安塔尔Juhász

  2. 研究所für Geowissenschaften, Universität海德堡，69120海德堡，德国

    弗兰克Postberg

  3. 研究所für Raumfahrtsysteme, Universität Stuttgart, 70569斯图加特，德国

    Frank Postberg, Georg Moragas-Klostermeyer和Ralf Srama

  4. 东京大学复杂科学与工程系，日本柏和277-8561

    Yasuhito关根身上

  5. 日本海洋与地球科学研究所海洋-地球生命演化研究实验室，日本横须贺237-0061

    Takazo涩谷

  6. 粒子与核物理研究所，维格纳皇家科学院，匈牙利布达佩斯1121，

    Antal Juhasz

  7. 欧洲航天局，ESAC, E-28691，西班牙马德里，

    尼古拉斯Altobelli

  8. 潜艇资源研发中心，日本横须贺237-0061

    铃木克彦和正木由香

  9. 东北大学环境研究研究生院，日本仙台980-8579

    Tatsu Kuwatani

  10. 北海道大学自然科学系，札幌060-0810，日本

    富山庄立花

  11. 名古屋大学环境科学研究生院，日本名古屋464-8601

    Sin-iti比如

作者
  1. Hsiang-Wen许
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  2. 弗兰克Postberg
    查看作者出版物

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  3. Yasuhito关根身上
    查看作者出版物

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  4. Takazo涩谷
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  5. Sascha Kempf
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  6. Mihaly Horanyi
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  7. Antal Juhasz
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  8. 尼古拉斯Altobelli
    查看作者出版物

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  9. Katsuhiko铃木
    查看作者出版物

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  10. Yuka正树
    查看作者出版物

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  11. Tatsu Kuwatani
    查看作者出版物

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  12. 富山庄立花
    查看作者出版物

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  13. Sin-iti比如
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  14. Georg Moragas-Klostermeyer
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  15. 拉尔夫Srama
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贡献

h.w.h.， F.P.和Y.S.概述了这项研究，并撰写了这封信。h.w.在a.j.、M.H.和S.K.的协助下进行了CDA动态分析;fp和S.K.进行了CDA成分分析;S.K G.M.-K。和R.S.进行CDA测量和初始数据处理;F.P.和N.A.进行CDA质谱数据采集和数据缩减;Y.S.进行了模拟土卫二海洋状况的实验和计算;T.S.设计了水热实验和分析系统;S.T.为实验合成了起始矿物;k.s.， Y.M.和T.K.在实验中对流体和固体分析做出了贡献; and S.-i.S. estimated the lifetime of silica nanoparticles in Enceladus’ ocean. All authors discussed the results and commented on the manuscript.

相应的作者

对应到Hsiang-Wen许．

道德声明

相互竞争的利益

作者声明没有相互竞争的经济利益。

扩展的数据图形和表格

图1 e环区域晶粒密度、溅射侵蚀速率和流粒生成速率分布图

一个，总e环冰粒表面积图中ρ- - - - - -z框架,ρ而且z分别为到土星旋转轴和到土星环平面的距离。请注意，每个容器在整个环面上的方位上集成，这意味着外部容器包含的体积比内部容器大得多。b，环面段e环冰晶等离子溅射侵蚀速率。溅射总速率为8.6 × 1024H2O分子每秒，较低，但仍相当于4.5 × 1025H2每秒有O个分子从ref中导出。32．c，归一化纳米粒子的生成速率，单位为粒子/秒。R年代，土星半径。

图2 5nm粒子从E环的抛射概率。

一个对于二氧化硅纳米颗粒，弹射概率基本接近于1(4.5以内除外)R年代)．当地较高的等离子体密度导致负尘埃势，从而降低了喷射概率7．二氧化硅纳米颗粒获得足够动能逃逸的典型时间尺度是一天7．b，水冰纳米颗粒的二次发射较低，正电荷较少，因此不太可能被喷射出来。这个“禁区”(黑色区域)进一步向外延伸∼5.5R年代，与CDA测量值一致53．

扩展数据图3流粒子发射模式。

一个，弹射区(ER)剖面，由纳米沙尘和太阳风测量得出(蓝色)7弹射模型(红色)，都在7-9处达到峰值R年代．这两种剖面的不确定性源于采用的土星磁层同向旋转分数(80-100%)，这决定了电磁加速度振幅。土星A环外缘的位置和冰冻卫星的轨道用灰色虚线标出。b，纬向依赖性喷射模式。分散和分类流粒子率(归一化为25R年代距离)分别用蓝色方框和十字表示。十字的垂直长度表示相应仓中流颗粒率的标准偏差。我们的模型(红色)再现了测量的趋势。c，d，假设土卫二直接抛射的模型模式。虽然ER剖面相似，但这些粒子仅沿环平面喷射。

图4流体样品形成的聚簇二氧化硅纳米颗粒的能量色散谱。

详细信息请参见方法。

扩展数据表1流粒子通量测量
全尺寸表

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引用本文

许,HW。，Postberg, F., Sekine, Y.et al。土卫二内部持续的热液活动。自然519， 207-210(2015)。https://doi.org/10.1038/nature14262

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