木卫二冰壳厚度与次表层结构新解：朱诺号微波辐射计揭示29公里厚冰层与浅层散射体

《Nature Astronomy》：Europa’s ice thickness and subsurface structure characterized by the Juno microwave radiometer

木卫二冰壳厚度是评估其宜居性的关键参数，但此前估算范围从3公里到45公里不等，存在巨大争议。为解决这一问题，研究人员利用朱诺号微波辐射计（MWR）在2022年飞掠木卫二时获取的数据，对冰壳次表层结构进行了首次直接探测。研究结果表明，木卫二冰壳厚度约为29±10公里，且冰壳中存在体积分数低、尺寸小、深度浅的散射体（如孔隙或裂缝）。这一发现表明，仅靠表面观察到的断裂带可能不足以支撑地表与海洋之间的物质交换，为理解木卫二的宜居性提供了新的物理约束。

　　

在太阳系的深空探索中，木星的卫星木卫二（Europa）一直是最引人注目的天体之一。它被一个冰壳所覆盖，而冰壳之下，极有可能隐藏着一个全球性的咸水海洋。这个“冰下海洋”的存在，使得木卫二成为太阳系中寻找地外生命迹象的最高优先级目标之一。然而，一个关键问题长期困扰着科学家们：这个冰壳到底有多厚？

此前，基于伽利略号（Galileo）等探测器的观测数据，科学家们对木卫二冰壳厚度的估算范围极其宽泛，从薄至3公里到厚达30公里以上不等。冰壳的厚度直接决定了其内部的热流、地质活动以及地表与海洋之间物质交换的可能性。如果冰壳过厚，地表与海洋的沟通将变得极为困难；如果冰壳过薄，则可能更容易发生物质交换，从而提升其宜居性。此外，木卫二表面遍布着被称为“混沌地形”的破碎地貌，这暗示着冰壳内部可能存在裂缝、断层、孔隙或气泡。如果这些结构能够从地表一直延伸到海洋，它们就可能成为输送氧气和营养物质的生命通道。

为了解开木卫二冰壳厚度的谜团，并揭示其内部结构，科学家们将目光投向了朱诺号（Juno）探测器。朱诺号自2016年以来一直围绕木星运行，其搭载的微波辐射计（Microwave Radiometer, MWR）原本设计用于探测木星深部大气。然而，在2022年9月29日，朱诺号以仅360公里的高度飞掠木卫二，其微波辐射计首次对木卫二的次表层冰壳进行了高分辨率的探测。这项研究正是基于这次宝贵的飞掠数据，为我们带来了关于木卫二冰壳厚度与结构的全新认识。

关键方法

本研究主要利用朱诺号微波辐射计（MWR）在2022年飞掠木卫二时获取的六通道微波亮度温度数据。研究人员开发了一个辐射传输模型，该模型结合了热传导和对流传输，并考虑了表面反射和次表层体积散射。通过马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）算法，对冰壳厚度、散射体体积分数、尺度高度和尺寸分布等关键参数进行了反演。研究还利用木星同步辐射（JSR）的反射信号作为约束，以区分热辐射和反射辐射的贡献，从而更精确地确定冰壳的物理性质。

研究结果

1. 微波辐射计观测与光谱特征

朱诺号微波辐射计在飞掠期间，对木卫二表面约10°S至30°N、60°W至40°E的区域进行了观测，获得了六个频率通道（0.6 GHz至22 GHz）的亮度温度数据。这些频率对应着不同的探测深度，从22 GHz的几米到0.6 GHz的几十公里。观测到的光谱显示出三个显著特征：首先，亮度温度从22 GHz到5.2 GHz持续下降，这与冰层温度随深度增加而升高的物理事实相矛盾，表明存在次表层反射体；其次，从1.2 GHz到5.2 GHz的光谱几乎平坦，表明冰壳厚度远大于1.2 GHz的探测深度；最后，在1.2 GHz和0.6 GHz通道中观测到的横向亮度温度变化远小于高频通道，表明引起高频变化的散射体尺寸小于25厘米（1.2 GHz的波长），且冰壳厚度远大于1.2 GHz的探测深度。

2. 辐射传输模型与冰壳厚度反演

为了定量分析冰壳结构，研究人员建立了一个辐射传输模型。该模型假设冰壳中存在一个体积分数随深度呈指数衰减的散射体层，散射体尺寸服从幂律分布。通过马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）反演，模型与观测数据的最佳拟合结果表明，木卫二冰壳的厚度约为29公里。该模型同时给出了散射体的关键参数：体积分数为0.045，尺度高度为219米，尺寸分布的幂律指数为-3.96。模型还显示，0.6 GHz和1.2 GHz通道的横向亮度温度变化主要由冰层物理温度的横向变化引起，而高频通道的额外变化则是由次表层散射体的横向变化所致。

3. 冰壳厚度约束与不确定性分析

冰壳厚度的估算主要依赖于0.6 GHz和1.2 GHz通道之间的亮度温度梯度，该梯度反映了冰层的垂直温度梯度。为了约束反射率，研究人员利用了木星同步辐射（JSR）的反射信号。通过分析亮度温度梯度与JSR入射角余弦的关系，并结合模型残差，研究最终将木卫二冰壳的厚度确定为29±10公里。这一不确定性主要来源于未建模的横向变化，而非测量误差。

结论与讨论

本研究通过对朱诺号微波辐射计数据的分析，首次直接探测并约束了木卫二冰壳的厚度。研究结果表明，在纯水冰的假设下，木卫二冰壳的厚度约为29±10公里。这一结果处于此前文献估算范围的上限，是一个物理上可信的数值。该厚度对应的热流范围为15 mW m^-2至35 mW m^-2，高于仅由放射性衰变产生的热流，表明木卫二冰壳中存在显著的潮汐加热。

研究还发现，冰壳中存在着体积分数低、尺寸小、深度浅的散射体。这些散射体在垂直方向上的分布尺度高度约为220米，且尺寸分布服从幂律指数约为-4的规律。尽管这些散射体可能是孔隙、裂缝或盐包体，但它们的低体积分数、小尺寸和浅深度表明，仅靠这些结构本身，不太可能成为连接地表与海洋的有效通道。因此，木卫二冰壳可能比我们想象的更“致密”，地表与海洋之间的物质交换可能比预期的更困难。

此外，研究还探讨了冰壳中杂质（如盐分）对结果的影响。分析表明，即使冰壳盐度达到15 mg kg^-1，也只会使冰壳厚度估算值减少约5公里，远小于10公里的不确定性。因此，杂质的存在并不会从根本上改变本研究的主要结论。

这项研究为理解木卫二的内部结构、热演化史和宜居性提供了关键的物理约束。它表明，木卫二拥有一个相对较厚的冰壳，这对其内部海洋的长期稳定性和地表与海洋之间的物质交换过程具有深远的影响。未来，随着欧罗巴快船（Europa Clipper）等任务的开展，我们将能够对木卫二进行更全面的探测，进一步揭示这颗神秘冰卫星的奥秘。