“欧罗巴剪刀号”宇宙飞船,木星系统拉普拉斯任务

伤我心太深

　　【文选自/大自然探索】

　　美国宇航局“欧罗巴剪刀号”飞船定于2030年前后发射。它将在环绕木星的轨道中实施飞近探测，探索木星的“伽利略卫星”之一 —— 欧罗巴。

　　据国际媒体2017年6月披露，由美国宇航局研发、包含一艘轨道器和一艘可能的登陆器的行星际任务——“欧罗巴剪刀号”正在紧锣密鼓进行中。“欧罗巴剪刀号”飞船(以下简称欧罗巴剪刀号)定于2030年前后发射，其研发目的是：通过一艘登陆器和一系列在环绕木星轨道中的飞近探测，探索木星的“伽利略卫星”之一——欧罗巴(木卫二)。


　　伽利略卫星


　　伽利略卫星是指木星最亮的四颗卫星：依娥(木卫一)、欧罗巴(木卫二)、加尼美得(木卫三)和卡里斯托(木卫四)。这四颗木卫由意大利科学家伽利略在1610年1月率先观测到，并于1610年3月由他确认为木星的卫星(木卫)，它们也是被发现环绕另一颗行星的首批天体。


  　　任务酝酿


　　在2017年3月7日之前，“欧罗巴剪刀号”任务的原定名称一直是“欧罗巴多次飞近任务”。美国宇航局1989年10月发射的“伽利略号”飞船，曾在木星轨道中对木星系统进行过8年观测。它发现了欧罗巴存在一个地下海洋的迹象。美国宇航局起初设想的欧罗巴探测器，例如“欧罗巴轨道器”和“含冰木卫轨道器”等，都打算把探测器送进环绕欧罗巴本身的轨道。然而，由于欧罗巴轨道中存在木星磁层辐射的强烈影响，科学家后来决定采取更安全的方式：让探测器进入环绕木星的轨道，在其中对欧罗巴实施多次飞近。由此被称为“欧罗巴多次飞近任务”的这项任务，开始时是由美国宇航局喷气动力实验室和美国约翰斯·霍普金斯大学的应用物理实验室联袂执行的。




  　　该任务将是对欧洲空间局(简称欧空局)“含冰木卫探索者号”任务的补充。“含冰木卫探索者号”飞船将飞近欧罗巴两次，飞近卡里斯托多次，然后进入环绕加尼美得的一条轨道。“含冰木卫探索者号”的预定发射时间与“欧罗巴剪刀号”相仿，但前者的巡航阶段持续时间是后者的3倍长。

　　“欧罗巴剪刀号”任务中的欧罗巴剪刀号轨道器，将携带由9部仪器组成的科学负载，这些仪器分别由美国宇航局喷气动力实验室、美国约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室、美国西南研究院、美国得克萨斯州大学、美国亚利桑那州大学和美国科罗拉多大学波德分校提供。


　　科学家认为，欧罗巴是太阳系中有可能存在微生物地外生命的地方之一。在“伽利略号”飞船取得一系列发现后，美国宇航局喷气动力实验室立即进行预备性跟进任务研究，其中设想的欧罗巴飞行器包括“含冰木卫轨道器”(预算为160亿美元)、“木卫欧罗巴轨道器”(预算为43亿美元)、一艘预算为20亿美元的未具名轨道器和一艘多次飞近飞行器——“欧罗巴剪刀号”。“欧罗巴剪刀号”任务目前依然处于筹划阶段，其成本估计已达20亿美元。


　　2013年3月，美国官方批准用7500万美元扩充对“欧罗巴剪刀号”任务探测活动的筹划，完善对探测目标的确定，资助预备性仪器研发。2014年5月，美国众议院将“欧罗巴多次飞近任务”的年度预算从1000万美元陡增至1亿美元，用于任务架构的预备性组建。2015年4月，美国宇航局请欧空局提交后者的欧罗巴探测器构想，考虑这两大机构的欧罗巴探测器是否可以一起飞行。美国宇航局提出，欧空局的欧罗巴探测器可以是一艘简单的探测器，也可以是一艘撞击器或登陆器。欧空局内部对此建议和可能的投资进行了评估，目的是调查两局是否能再度进行像“卡西尼-惠更斯”任务那样成功的合作。


　　2015年5月，美国宇航局选定了欧罗巴剪刀号将搭载的9部科学仪器。它们将在之后3年里研发，投资大约为1.1亿美元。2015年6月，美国宇航局批准了“欧罗巴剪刀号”任务构想，同意欧罗巴剪刀号轨道器进入形成阶段。2016年1月，美国宇航局同意为欧罗巴剪刀号轨道器配备登陆器。2017年2月，该任务从阶段A转至阶段B(阶段B是任务的预备性设计阶段)。


　　为什么叫“欧罗巴剪刀号”?


　　根据美国宇航局2017年3月发布的消息，“欧罗巴剪刀号”中的“剪刀”指的是19世纪航行于地球海洋中的飞剪船，这种三桅船以其优雅和快捷而闻名。


　　三方合作变成美方单干

　　“欧罗巴剪刀号”源自由美国宇航局、欧空局和日本航天局共同参与的一项任务。该任务名为“欧罗巴-木星系统拉普拉斯任务”，一共包括两艘探测器——美国宇航局的“木星欧罗巴轨道器”和欧空局的“木星-加尼美得轨道器”，计划发射时间是2020年。

　　最后，由于与美方在太空探索理念方面的冲突，欧空局和日航局都退出了这项合作。欧空局原先决定参与这项合作，是因为该局的“2015-2025宇宙视觉”计划，该计划包含了欧洲科学界未来最迫切的太空探索目标。但美方的目标与此不一致，于是欧空局宣布退出合作。




  　　欧空局随即展开自己的独立任务——“木星含冰卫星探索者”，其探索焦点是加尼美得、卡里斯托和欧罗巴。这项任务最终获准，探测器的预计发射时间是2022年，预计在2030年到达木星系统。与此同时，美国宇航局和美国科学界联合设想了一条飞行路径，来执行一项成本更低的环绕任务——“欧罗巴多次飞近任务”。该任务在2015年被美国政府批准由宇航局进行进一步研发，同年，美国國会请宇航局考虑是否为该任务添加一艘登陆器。


　　2017年初，由“欧罗巴多次飞近任务”改名的“欧罗巴剪刀号”任务进入阶段B设计。到了这一阶段，飞船工程师必须确定飞船组件的详细设计方案和预计要搭载的船上仪器。该任务面临的最大挑战中，包括应对严苛的辐射环境和确保飞船绝对清洁(达到宇航局的行星保护指南要求)。然而，在2017年3月发布的2018年美国总统预算请求中，未批准为欧罗巴剪刀号增加登陆器。


　　根据这一预算，2018～2022年宇航局的财政预算是191亿美元，其中4.25亿美元用于进一步发展“欧罗巴剪刀号”任务，但宇航局认为预算不足，难以按照2015年确定的发射时间——最晚2022年来发射欧罗巴剪刀号。“欧罗巴剪刀号”任务的总预算预计不低于24.8亿美元，但到2022年时预计只能达到16.3亿美元。宇航局表示，按照目前的预算水平，欧罗巴剪刀号的发射时间可能是在2025～2030年。


　　探测目标

　　欧罗巴剪刀号旨在调查欧罗巴的可居住性，并帮助选定登陆器的登陆地点。具体而言，欧罗巴剪刀号的探测对象是：
　　——欧罗巴的冰壳和地下海洋：证实冰壳内部或冰壳下面液态水的存在，描述这些液态水的性质，以及冰壳与下方海洋之间的交换过程。
　　——欧罗巴海洋组成：调查欧罗巴地下海洋中重要化合物的组成及分布情况。
　　——欧罗巴地质学：描述欧罗巴表面地质特征及形成过程，包括最近和现有的地质活动。
　　欧罗巴剪刀号将不会环绕欧罗巴，而是将环绕木星，在此过程中，在距离欧罗巴表面25～2700千米的地方，对欧罗巴实施45次飞近。其中每次飞近都将探测欧罗巴的一个不同部分，目的是实现对欧罗巴全球地形(包括冰壳厚度)的一次中等质量调查。





  　　欧罗巴剪刀号也可能跟进“哈勃太空望远镜”观测到的欧罗巴表面水汽柱。也就是说，欧罗巴剪刀号将可能穿越从欧罗巴的冰地壳喷出的水汽柱，由此取样于欧罗巴的地下海洋。或者，欧罗巴剪刀号搭载的热探测仪将探查欧罗巴表面附近存在温暖水的证据。此外，欧罗巴剪刀号还将寻找欧罗巴大气层中存在水的证据。如果能证实这些水汽柱的存在以及它们与欧罗巴地下海洋之间的关联，通过研究水汽柱的物质组成，就会帮助科学家调查欧罗巴的潜在可居住环境，而无需钻穿欧罗巴的冰地壳。


　　克服瓶颈


　　因为欧罗巴完全处在木星周围严酷的辐射场内，所以就算是得到严密辐射防护的飞行器，在接近欧罗巴的轨道中也只能运作几个月。辐射可能会成为欧罗巴剪刀号任务期长短的最大制约因素。其他大多数太空任务之所以终止，是因为飞船燃料耗尽或失去让船载仪器指向目标的能力。另一个严重制约欧罗巴轨道器的因素，并不是探测仪器能进行观测的时间，而是能用来向地球返回数据的时间。由于能用来接收科学数据的天线数量有限，大多数仪器采集数据的速度都比通信系统向地球传输数据的速度快。
　　由美国宇航局喷气动力实验室科学家进行的研究表明，通过多次飞近，在许多个月中向地球返回数据，欧罗巴剪刀号轨道器能只花费20亿美元就完成被取消的“木卫欧罗巴轨道器”(预计投资高达43亿美元)的大多数重要探测目标。在每两次飞近之间，欧罗巴剪刀号有7～10天时间来传输在每次短暂相遇期间存储的数据。这能让欧罗巴剪刀号有长达一年的时间来传输数据，而不像一艘轨道器那样只有大约30天时间。其结果是，既能减少飞行器暴露在辐射中的时间，又能让发回地球的数据量增加两倍以上。


　　欧罗巴剪刀号将采用“伽利略号”和“朱诺号”木星轨道器的有效应对辐射的技术。150千克的钛金属将构筑欧罗巴剪刀号的坚实“盾牌”。為了让防护效能最优化，欧罗巴剪刀号搭载的电子设备将集中在得到附加辐射防护的飞行器核心部位。


　　科学家分析了用放射性热电发生器和光电技术推动欧罗巴剪刀号的可行性。2013年9月，科学家确定太阳能电池板是推动欧罗巴剪刀号的最节省成本选择。早期分析显示，在环绕木星的轨道中朝向太阳，每张面积为18平方米的电池板能持续产生150瓦电量。在欧罗巴的阴影中，电池能让飞行器持续采集数据。然而，离子化辐射可能损坏太阳能电池板。欧罗巴剪刀号的轨道将穿越木星的强磁层。科学家预计，随着“欧罗巴剪刀号”任务在木星附近持续展开，木星磁层会造成欧罗巴剪刀号的太阳能电池板逐渐衰减。


　　另一种选择，是采用由铀-238提供燃料的多任务放射性同位素热电发生器来推动欧罗巴剪刀号。这一思路在美国宇航局“火星科学实验室”任务中被证明可行。现有的这种发生器有5部，其中之一预留给美国宇航局的“火星2020”巡游车任务，另一部作为备用。2014年10月3日，美国宇航局宣布选择太阳能电池板来驱动欧罗巴剪刀号。科学家指出，虽然在木星轨道中的太阳能强度只有在地球轨道中的4%，但太阳能驱动在飞船上不仅比铀驱动成本低，而且更实用。虽然太阳能电池板比铀发电机重，但飞行器在发射时的重量仍然在可接受范围内。


　　科学负载


　　太空飞行器的负载和轨道都会随着任务设计的越来越成熟而改变。虽然欧罗巴剪刀号对于探索欧罗巴(包括对喷射水汽柱的探查和描述)来说配备良好，但它对于全面分析欧罗巴水汽柱的能力来说依然是有限的。2015年5月，美国宇航局宣布欧罗巴剪刀号将搭载9部科学仪器，它们的总重量估计为82千克。以下是对这些仪器的简介。




  　　欧罗巴热辐射成像系统 它将提供在中长波红外波段的高空间解析度、多光谱成像，有助于探查活跃地点，比如欧罗巴表面的水汽柱喷口。这一仪器源自2001年美国宇航局“火星奥德赛号”轨道器上的热辐射成像系统。


　　欧罗巴绘图成像光谱仪 它将在短波红外波段绘图，探测欧罗巴表面组成，对冰壳中的有机物、盐、酸性水合物及其他材料分布进行绘制，帮助确定欧罗巴地下海洋的可居住性。从这些测量中，科学家希望能把欧罗巴的表面组成与欧罗巴地下海洋的可居住性联系起来。


　　欧罗巴成像系统 它是一部在可见光波段拍照的宽、窄视角相机，将拍摄欧罗巴的大部分表面，并提供其中一些部位的高像素图像。
　　紫外光谱仪 它将探查欧罗巴表面的小型水汽柱，并将提供欧罗巴外逸层(外大气层)的组成及动力学数据。这部仪器的研发负责人，曾参与通过在紫外光谱运用“哈勃太空望远镜”，发现了喷发自欧罗巴表面的水汽柱。


　　欧罗巴分析及海洋测深雷达 这部双频穿冰雷达旨在描述从欧罗巴表面到地下海洋之间地带的情况，从而揭示欧罗巴地壳的隐藏结构和潜在的地下海洋。
　　欧罗巴内部特征测磁仪 这种磁强计将测量欧罗巴表面附近的磁场。当它与磁测深等离子体仪联用，经过多频电磁测深，还能探知欧罗巴地下海洋的位置、深度、厚度以及盐度等信息。


　　磁测深等离子体仪 它将测量欧罗巴表面附近的等离子体，描述由等离子体流产生的磁场特征。这些等离子体流会掩盖欧罗巴地下海洋的磁感应反应。磁测深等离子体仪是确定欧羅巴冰壳厚度、地下海洋深度及盐度的关键设备。磁测深等离子体仪也将探查让欧罗巴表面风化并向大气层和电离层发射物质的机制，以及欧罗巴影响局部太空环境和木星磁层的机制。
　　探索欧罗巴质谱仪 它可以测量欧罗巴极其稀薄的大气层和从欧罗巴表面喷射到太空的任何物质。负责这一仪器研发的科学家，是“卡西尼号”飞行器上搭载的离子和中性物质质谱仪研发团队的带头人。


  　　表面尘埃质量分析仪 它将测量喷射自欧罗巴表面的固体小颗粒的组成，通过低高度飞近尝试直接取样欧罗巴表面物质和水汽柱物质。它能识别喷射的冰颗粒中的有机和无机物质。


　　一些设想

　　纳米卫星 因为欧罗巴剪刀号可能不容易改变自己的轨迹或高度以飞越偶然发生的水汽柱，所以科学家调查了这种可能性：从欧罗巴剪刀号上部署多颗微型人造卫星——纳米卫星，它们由离子推进器驱动，穿越水汽柱去分析欧罗巴内部海洋的可居住性，欧罗巴剪刀号则把来自纳米卫星的信号传回地球。在推进力作用下，一些纳米卫星还可能进入环绕欧罗巴的轨道。


　　欧罗巴生物指针探测器 美国宇航局也在分析是否需要让欧罗巴剪刀号释放250千克重的“欧罗巴生物指针探测器”。它将配备一部双推进剂引擎和多部冷气推进器，以便更好、更灵活地应对欧罗巴表面出现的偶然性喷射事件，在水汽柱中的生物指针和生命证据被辐射摧毁之前对它们进行分析。该探测器将配备采用气相色谱仪分离技术的质谱仪，它也将搭载紫外、红外和可见光相机，以比欧罗巴剪刀号母船(即轨道器本身)还高的分辨率拍摄欧罗巴表面的活跃区域。该探测器将在距离欧罗巴表面2～10千米的高度飞行，然后快速撤离，在远离辐射带的地方对取样进行检测。


　　登陆器 迄今为止，尚无登陆器登陆过欧罗巴。对欧罗巴剪刀号的一个初期设想是，由母船释放一艘直径大约1米的小型登陆器到欧罗巴表面。登陆器重量约为230千克，登陆器机载仪器最大重量为30千克。科学家建议的登陆器机载仪器，包括一部质谱仪和一部光谱仪来测量欧罗巴表面的化学组成。登陆器由母船投送到欧罗巴表面，可能需要天空吊车来实施高精度投送，让登陆器在一个活跃喷口附近软着陆。登陆器将采用电池供电，在欧罗巴表面运作大约10天。欧罗巴剪刀号将花大约3年时间拍摄欧罗巴表面的95%。有了这些数据，科学家就能为登陆器选好适合的登陆地点。据估计，真要添加登陆器的话，“欧罗巴剪刀号”的任务成本可能需要增加10亿美元。最终，添加登陆器的渴望升温到了如此地步——附加登陆器任务变成了可能独立于“欧罗巴剪刀号”的“欧罗巴登陆器”任务。也就是说，欧罗巴剪刀号和欧罗巴登陆器可能将在不同时间从地球发射。2016年，美国政府批准“欧罗巴登陆器”成为一项完全独立的任务。不过，该任务至今未得到美国政府预算批准。


　　欧罗巴剪刀号如果由“大力神V551”运载火箭发射，使用金星—地球—地球引力援助轨道，将花大约6年时间从地球飞到木星。美国宇航局2016年1月宣布，包括登陆器和可分离探测器在内，采用宇航局空间发射系统的重型火箭来发射欧罗巴剪刀号，能让它在直飞轨道中只花不到3年时间就飞抵木星。

伤我心太深

探秘欧罗巴：上面适合居住吗？

　　科学家估计，欧罗巴地下海洋水量是地球海洋的2～3倍。欧罗巴为什么可能存在地下海洋?这样的海洋如果真的存在，其中可能有类地球生命吗?
　　欧罗巴是环绕木星的四颗伽利略卫星中最小的一颗，它在木卫中与木星的距离为第六近。它也是太阳系中第六大的卫星。它是依据希腊主神宙斯的情人欧罗巴而命名的。欧罗巴的个头比月球小一点。欧罗巴有水—冰地壳，还可能有一个铁—镍内核。欧罗巴的稀薄大气层主要由氧组成。


　　潮汐加热


　　欧罗巴每3天半多一点就环绕木星一圈，轨道半径大约为67.1万千米。欧罗巴的轨道接近正圆形。与其他伽利略卫星一样，欧罗巴也被木星潮汐锁定，即它有一个半球持续面朝木星。因此，欧罗巴表面存在这样一个位置，从这一点往上看，木星刚好悬挂在这一点的正上方。但研究表明这种潮汐锁定并非完整，欧罗巴的自转速度快于它环绕木星的速度，至少在过去一段时间里如此。这暗示欧罗巴内部质量分布不对称，地下海洋把含冰地壳与内部岩石分隔开。


　　欧罗巴轨道很小的偏心率，是由其他伽利略卫星的引力扰动维持的。这导致上面所说的欧罗巴表面木星正挂地点并非固定，而是随时间分布于一个不大的范围内。随着欧罗巴略微靠近木星一点点，木星对它的引力增加，会导致欧罗巴被拉伸一点点。随着欧罗巴略微离开木星一点点，木星对它的引力降低，又引起欧罗巴反弹回去一点点。这在欧罗巴地下海洋中造成潮汐。欧罗巴的轨道偏心率由欧罗巴与依娥的平均运动共振来持续推动。这样，潮汐可挠性揉捏欧罗巴内部，给予欧罗巴内部一种热源，由此就可能让欧罗巴地下海洋保持液态，同时推动欧罗巴地下地质过程。这些运动过程的终极能量源是木星的自转。依娥通过自己在木星上引起的潮汐利用了这一能量，这种能量又通过轨道共振传递给欧罗巴和加尼美得。


　　通过分析欧罗巴独特的衬砌裂缝，科学家判断欧罗巴曾经可能绕一根倾斜轴自转。如果这一判断无误，就能解释欧罗巴的许多特征。由纵横交错的裂缝所组成的欧罗巴表面的巨大网络，记录着由欧罗巴地下海洋的大规模潮汐造成的压力。欧罗巴的倾斜自转轴，可能影响对欧罗巴冰地壳中记录着欧罗巴多长历史的计算，影响对欧罗巴地下海洋潮汐能产生多少热量的计算，影响对后来被地下海洋能保持液态多久的计算，影响对欧罗巴地下海洋年龄估计值的计算。


　　欧罗巴的冰层必须能延展或退缩，才能解释这些变化。当承压过大，冰层就会开裂。自转轴的倾斜，表明欧罗巴表面裂缝可能形成于最近，而非像科学家之前认为的那样久远，理由是自转轴的方向可能每天都会变化几度，每好几个月就完成一次运动周期。不仅潮汐力被认为是保持欧罗巴地下海洋液态的热源，而且自转轴倾角意味着更多热量是由潮汐力产生的。这样的热量有助于欧罗巴地下海洋更长久保持液态。科学家尚未查明这种自转轴倾斜发生于何时，也不知道倾角有多大。




  　　除了潮汐加热，欧罗巴内部也可能被岩石地幔内的放射性材料衰变加热。但理论模型和实际观测值是放射性衰变单独产生热量的100倍以上，这暗示潮汐加热在欧罗巴加热中起了主导作用。


　　地下海洋


　　欧罗巴表面温度在赤道附近为-160℃，在两极地区为-220℃，这让欧罗巴的冰地壳像花岗岩一样坚硬。首次对欧罗巴地下海洋的探索，来自于对潮汐加热的理论思考。通过对“旅行者号”和“伽利略号”拍摄的欧罗巴图像进行分析，“伽利略号”成像团队科学家认为欧罗巴存在地下海洋。最引人注目的例子是“混沌地形”，这种欧罗巴表面常见特征被一些科学家解读为地下海洋融穿冰地壳的地方。但这种解释有争议性。研究过欧罗巴图像的大多数地质学家青睐的是“厚冰”模型，按照这一模型，地下海洋很少与冰地壳相互作用。
　　对欧罗巴表面大型陨击坑的一项研究结果，是厚冰模型的最佳证据。最大陨击坑被一系列同心环包围，环中看来充填的是相对平坦和新鲜的冰。基于这一证据和对欧罗巴潮汐生热量的计算，科学家估算出欧罗巴的冰地壳厚度约为10～30千米，地下海洋深度约为100千米，海洋水量是地球海洋的2～3倍。


　　“伽利略号”发现欧罗巴有弱磁矩，它由木星磁场的不同部位诱导。这一磁矩在欧罗巴磁赤道产生的场强约为加尼美得场强的1/6，约为卡里斯托场强的6倍。感应力矩的存在需要欧罗巴内部有一层高导电性材料。最可能的解释，就是欧罗巴地下存在大规模盐水海洋。


　　自从“旅行者号”在1979年经过欧罗巴以来，科学家一直在研究欧罗巴表面红褐色物质的组成，这些物质覆盖着裂缝及其他地质学上的年轻地貌。光谱证据表明，欧罗巴表面的暗红色条纹地带可能富含像硫酸镁之类的盐，这些盐由欧罗巴内部的水蒸发而沉积形成。硫酸水合物是另一种可能的解释，因为光谱观测发现了疑似硫酸水合物。无论怎样，由于这些物质在纯净状态下为无色或白色，因此一定存在其他一些材料(例如硫化合物)才能解释前述的红褐色。


　　水汽柱


　　“哈勃太空望遠镜”在2012年拍摄的一幅欧罗巴图像，被认为显示了从欧罗巴南极附近喷发的水汽柱。这幅图像表明，这根水汽柱可能高达200千米，也就是喜马拉雅山高度的20倍以上。科学家指出，如果欧罗巴上真的有水汽柱喷发，也只是零星事件，最可能发生于欧罗巴距离木星最远时，这与潮汐力模型的预测是吻合的。2016年发布的“哈勃太空望远镜”图像，为欧罗巴表面水汽柱提供了更多资料。


  　　欧罗巴潮汐力强度是月球对地球的潮汐作用强度的大约1000倍。目前，太阳系中显示出水汽柱存在的唯一一颗其他卫星是恩刻拉多斯(土卫二)。科学家估计，欧罗巴水汽柱喷射的质量大约是每秒7000千克，而恩刻拉多斯只有大约每秒200千克。如果这些估计值被证实，那么通过穿越水汽柱提取样本，就有可能对欧罗巴地下海洋进行有效分析，而无需钻穿欧罗巴的冰地壳去取样。


　　大气层


　　1995年，科学家对美国“戈达德高像素光谱仪”和“哈勃太空望远镜”所拍摄图像的分析表明，欧罗巴拥有主要由分子氧组成的稀薄大气层。与地球大气压相比，欧罗巴的大气压几乎可忽略不计，但欧罗巴大气层的存在是无疑的。1997年，“伽利略号”证实欧罗巴周围存在稀薄的电离层(由带电粒子组成的上大气层)，它是由太阳辐射和来自木星磁层的高能粒子创生的，这也为欧罗巴存在大气层提供了有力证据。


　　与地球大气层中的氧不同，欧罗巴大气层中的氧不是生物学起源的。紧贴欧罗巴表面的稀薄大气层通过辐解(分子的辐射离解)形成。太阳紫外辐射和来自木星磁层的带电粒子(离子和电子)与欧罗巴的冰地壳撞击，把水分解成氧和氢。这些组分被冰地壳吸收。但同样的辐射还造成这些组分从欧罗巴表面的碰撞性抛射，这两个过程之间的平衡就形成并维持了欧罗巴大气层。分子氧是欧罗巴大气层最稠密的成分，原因是分子氧的长寿命。在回到欧罗巴表面后，分子氧不会像水或过氧化氢分子那样被“粘”住，而是会重回大气层。分子氢则不会坠落到欧罗巴表面，因为它足够轻，能逃离欧罗巴的表面引力。


　　对欧罗巴表面进行的观测发现，由辐解产生的一些分子氧不会从欧罗巴表面被抛射出去。因为欧罗巴表面可能与地下海洋有互动，这些分子氧就可能进入欧罗巴地下海洋，从而可能协助生物学过程。有科学家估计，辐解产生的分子氧最终可能造成欧罗巴地下海洋的氧浓度与地球深海的氧浓度相当。




  　　逃离欧罗巴引力的分子氢，再加上氧原子和分子氧，在欧罗巴环绕木星的轨道附近形成了一道气体环。“卡西尼号”和“伽利略号”都探测到了这道“中性云”，这些云中的原子和分子数量比环绕更靠近木星的依娥的中性云多。根据理论模型预测，欧罗巴气体环中的几乎所有原子或分子最终都会被电离，因此为木星的磁层等离子体提供一种来源。


　　可居住性


　　地球大西洋底部有被称为黑烟囱的地热喷口。在地热驱使下，黑烟囱和其他类型的地热喷口产生一种化学失衡，由此为生命提供能量。
　　欧罗巴被认为是太阳系中除地球外可居住性最高的地方之一。科学家认为，欧罗巴地下海洋中有可能存在生命，尤其是在与地球深海地热喷口相似的环境中。虽然欧罗巴缺乏火山地热活动，2016年美国宇航局的一项研究却发现，与地球相仿的氢和氧含量可能通过与蛇纹石化作用和冰衍生氧化剂有关的过程产生，而这些过程不涉及火山活动。科学家2015年宣布，来自地下海洋的盐有可能覆盖欧罗巴表面一些地貌。这暗示地下海洋与海底之间有互动。这在确定欧罗巴是否可居住方面可能很重要。虽然迄今为止并无证据表明欧罗巴存在生命，但因为欧罗巴可能有海水与地幔接触，这为生命创生提供了条件，所以科学家呼吁发射探测器去寻找欧罗巴生命。


　　由潮汐可挠性提供的能量，在欧罗巴内部推动活跃的地质过程。相似情况也发生在依娥上。但来自潮汐可挠性的能量，绝无可能在欧罗巴地下海洋中支撐像地球海洋中那么多样的生态系统，毕竟，地球海洋生态系统与地表相接，以光合作用为基础。欧罗巴生命可能聚集在海底地热喷口周围，或者集中在海底下(地球上有这样的生物)。另外，欧罗巴生命也可能存在于冰地壳的下表面，就像地球两极地区的藻类和细菌，或者自由漂浮在欧罗巴的海洋上。但如果欧罗巴的海水温度太低，类似地球的生物学过程就可能发生不了。如果欧罗巴海洋的盐度太高，那么只有喜盐生物能在这样的环境中生存。


　　如果证实欧罗巴的冰地壳中包裹着与地下海洋不同的湖泊，那么这些湖泊将成为另一种潜在的可居住环境。有证据显示，欧罗巴表面大部分地方都存在丰富的过氧化氢。因为过氧化氢会分解产生氧和水，所以一些科学家认为这能为简单生命形式提供能量。同时，在欧罗巴的冰地壳中也经常探测到在地球上与有机物相关的黏土样矿物质页硅酸盐。这些矿物质的存在有可能是小行星或彗星撞击欧罗巴的结果。不能排除这样一种可能性：地球生命被碰撞地球的小行星等天体炸进太空，最终飞抵木卫。


　　探索历史


　　1610年，在望远镜问世后不久，意大利天文学家伽利略发现了欧罗巴和其他3颗木卫。但由于欧罗巴个头小，对它的详尽观测直到太空时代才开始——飞行器多次飞近过这颗木卫。
　　1973和1974年，美国宇航局“先锋10号”和“先锋11号”飞船首次探测欧罗巴，但这两项任务的拍摄焦点是木星。1979年，间隔几个月发射的美国宇航局“旅行者1号”和“旅行者2号”飞船飞掠木星系统，顺道对欧罗巴进行了拍摄。虽然这些早期照片是在与欧罗巴有一定距离处拍摄的，但它们依然揭示了欧罗巴的冰壳表面。当时许多天文学家相信，所有卫星都与地球的卫星月球相似，几乎没有大气层。而欧罗巴这颗木卫的情况，却让他们大吃一惊。




  　　这些照片显示，欧罗巴表面的一些暗色条纹地带有对边，并且这些条纹之间像积木一样完美啮合。这些条纹其实是裂缝，看来有暗色含冰物质流进这些裂缝，这表明欧罗巴的表面在过去一段时间里曾经很活跃。“旅行者号”拍摄的图像显示，欧罗巴表面的陨击坑数量不多。本来，在几十亿年(太阳系天体形成的时间在数十亿年前)的时间里，天体表面连续不断被陨星轰炸，直到全身伤痕累累。而欧罗巴表面陨击坑少，就说明这个表面相对年轻。这隐含的意思是：诸如含冰火山流或冰地壳在自身重量下安定下来之类的现象，导致陨击坑被抹去。


　　美国宇航局和欧空局联合实施的“伽利略号”任务，在1995～2003年对木星进行了多次飞近。该任务的最大成就之一，就是发现了欧罗巴地下有含盐液态海洋的广泛证据。“伽利略号”飞船的测量，表明了木星磁场在欧罗巴周围的空间怎样被扰动。这一测量强烈暗示，在欧罗巴表面下某种很深的导电液体层作用下，欧罗巴内部正在产生一种特殊类型的磁场。基于欧罗巴的含冰组成，科学家认为产生这种磁场特征的最可能物质，是一个全球性的含盐海洋。科学家期待，未来的欧罗巴探索之旅能够证实欧罗巴地下海洋的存在，并且开始探索欧罗巴的可居住性，即欧罗巴上是否存在像地球生命一样的生命，哪怕只是微生物生命。


　　2012年，来自“哈勃太空望远镜”的观测结果表明，欧罗巴南半球有水汽柱喷薄而出。在2014和2016年的进一步观测中发现了更多水汽柱，其中两根水汽柱喷发自“伽利略号”当年发现的那个喷口。