木衛二冰層可能有意料外的化學反應

49太歲

　　在木衛二（歐羅巴，Europa）堅硬而厚實的冰層中，可能蘊藏著比科學家冰層下可能有海洋這件事還有趣的化學反應現象。

　　美國航太總署（NASA）哥達德太空飛行中心（Goddard Space Flight Center）Mark Loeffler和Reggie Hudson等人日前提出報告指出：木衛二的海洋可在極低溫度下，水和二氧化硫之間有極快速的化學作用。雖然在液態狀態下，這些分子很容易就進行化學反應，也就是大家熟知的酸雨的成分；但這是首度得知在攝氏零下數百度的低溫狀態下，這些冰狀化合物仍能以非常快的速度進行反應。既然這種反應沒有受到輻射的協助，那麼可能整個木衛二表面厚實的覆冰都可發生這種化學反應。

　　一般論及木衛二的化學反應，都會談到輻射的影響。這是因為木衛二的溫度約在絕對溫度86～130K左右（攝氏零下187～143度）。在這麼冷的環境中，絕大部分的化學反應都需要從輻射或光等提供能量才能進行。木衛二的能量主要來自木星輻射帶中的粒子；由於絕大部分的這種粒子只能穿透木衛二表面到深約2～3公分的地方，所以木衛二的化學反應理論也往往停在這兒，沒預期更深層的地方會發生任何化學反應，更沒預期到反應速度可以非常快。

　　然而，Loeffler等人發現：在木衛二，即使冰層厚達10～100公尺，若有二氧化硫混合其中，便意味著應該有水冰與二氧化硫的化學反應。這對瞭解木衛二的冰質地殼的地質狀況和化學性質相當重要。科學家已知木衛一（埃歐，Io）的火山噴發出的硫會傳遞到木衛二上，逐漸被埋在冰層裡；額外的硫則可能來自冰層下方的海洋。然而，科學家並不清楚埋在地表以下的硫會變成如何，僅知會受到冰質地殼的地質和化學作用影響。

　　Loeffler等人遂採取模擬實驗，在高度真空腔中，將水蒸氣和二氧化硫氣體噴灑在約25分錢大小的鏡面上。由於鏡片被保持在50～100K左右的溫度，氣體會立刻凝華成冰。當化學反應進行時，科學家利用紅外光譜儀監看水和二氧化硫的濃度減少狀況，以及陰離子和陽離子的增加狀況。雖然溫度非常低，但這些分子仍以冰的型態快速反應。而木衛二最高溫度約在130K左右，二氧化碳和水冰的反應幾乎是立即完成；如果是在100K左右的溫度下，則反應速度大約在0.5天～1天左右。要記住，以太陽系數十億年的地質年齡來看，1天就像是眨眼般快速。

　　為了測試反應的正確性，這些科學家加入固態二氧化碳，也就是俗稱的乾冰。木衛二上乾冰也相當常見，如果乾冰會阻擋反應進行，則我們就不會對木衛二上的反應那麼感興趣了；但是如果乾冰不會阻擋反應進行，意味著木衛二，甚至是木衛三（甘尼米德，Ganymede）和木衛四（卡利斯多，Callisto）這些冰衛星，都可能存在相同的水與二氧化硫的化學反應。

　　Loeffler等人原本認為大約只有5％的二氧化硫會與水冰反應形成化合物，但實驗結果卻顯示比例高達1/4～1/3；更甚者，所形成的陰離子或陽離子還會與其他分子再進行化學反應，甚至出現某些很有趣的化學反應，特別是重亞硫酸鹽（bisulfite）這種硫離子等；而這些產物可能足以穩定地維持好一會兒，而不致於急著改變。

　　Loeffler等人現在正在嘗試加入其他分子或化合物，看看對二氧化硫與水冰的化學反應有何影響。他們最終目的就是要找到與木衛二觀測資料相符的化學反應產物。如果木衛二表面以下的確有化學反應產物，將完全改變科學家對木衛二、甚至整個木星系統的認識，以及未來的研究方向。