Effusive sedimentary volcanism experimentally reproduced under Martian-like conditions
本研究通过实验和建模证明，在类火星低压条件下，快速沸腾通过驱动耦合的弹道式-喷流式泥浆喷发来积极维持沉积火山活动，而非如先前假设的那样对其产生抑制作用。
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想象一下，你是一名正在试图破解关于行星如何产生“凸起与伤痕”之谜的侦探。长期以来，科学家们一直对火星以及像木卫二（Europa）这样冰冻卫星上那些奇怪的、看起来像泥泞的丘陵和河流感到困惑。它们看起来像是火山作用形成的，但问题在于：火星的大气层如此稀薄（几乎接近真空）且如此寒冷，以至于如果你在那里泼出一桶水，它应该会瞬间沸腾、结冰，并变成一块坚硬的冰。这就像是在熔炉里试图做一个雪球；物理学表明，液态泥浆是不可能流动或堆积成山的，因为它会在移动之前就冻结。这就是大问题：在这样一个恶劣、寒冷的生存环境中，“泥火山”究竟是如何发生的？为了理解这一点，我们需要了解几件事。首先，“亚稳态液体”（metastable liquid）只是一个高级说法，指的是一种技术上不稳定、想要改变状态（比如水想要沸腾或结冰）但尚未完全改变的液体。其次，“沉积火山作用”（sedimentary volcanism）是指泥浆或浆液从地下喷发，形成锥体或像熔岩一样流动，但其成分是湿润的泥土而非炽热的岩石。最后，“冰火山作用”（cryovolcanism）是冰冻世界上的冰冻版本，即水或冰浆在上面喷发。谜团在于，这些液体是否真的能保持液态并流动足够长的时间来构建出我们看到的地理形态，还是说它们会立即冻结成固体。
现在，进入这样一组科学家，他们决定不再靠猜，而是开始建造一个实验室里的“微型火星”。他们想看看当你把一桶湿漉漉的泥浆突然暴露在火星稀薄、寒冷的大气中时，会发生什么。他们并没有直接把泥浆倒入真空室（因为那样会冻结得太快），而是想出了一个聪明的招数。他们建造了一个由冰制成的“压力锅”。他们先准备了一个沙盘，将其冻结，然后将特制的泥浆混合物（水、硫酸镁和粘土）倒入一个洞中。接着，他们让那层泥浆表面冻结，形成一个坚硬的冰盖。这个盖子将液态泥浆锁在下面，使其保持压力。盖子变坚固后，他们从底部稍微加热了托盘。这种热量从下方削弱了冰盖，直到它破裂为止！
当那个冰封的密封层破裂时，被困住的泥浆突然暴露在低压的真空室中（约 4.5 mbar，类似于火星的大气压）。科学家们原以为泥浆会立即冻结并停止移动。然而，意想不到的事情发生了。压力的骤降导致泥浆内部的水剧烈沸腾。这种沸腾并没有阻止喷发；相反，它驱动了喷发。沸腾产生的压力像喷泉一样将泥浆从地下射出。
实验表明，这次喷发分为两个截然不同的阶段，就像一场摇滚演唱会。首先是“弹道式”（ballistic）阶段。沸腾的泥浆以小液滴和块状物的形式射出，在空中飞舞，最后落在洞口周围的一个环形区域内。它看起来像是一座泥浆喷泉。一些较小的液滴飞得很远，而较大的、较重的块状物则落在靠近喷口的地方。这里就是神奇之处：尽管这些液滴的外层会瞬间冻结成一层薄薄的冰壳（就像热巧克力布丁上的巧克力涂层），但它们的内部依然保持着温暖和液态。由于它们落在离喷口很近的地方，它们开始堆积起来。
随后便是第二个阶段：“流溢式”（effusive）阶段。随着泥浆在洞口附近不断堆积，它开始融合。那些冻结液滴内部温暖的液态中心融化在一起，形成了一条连续的、流动的泥浆河，在沙地上蔓延开来。喷发从向空中喷射泥浆演变为缓慢地渗出泥浆，从而堆积出一个小锥体并沿侧面流动。科学家发现，地下“储层”的大小至关重要：较小的储层会形成一个整齐、陡峭的锥体；而较大的储层则会让泥浆流动更久，从而创造出更宽、更平坦的流向。
这篇论文指出，这种过程——即沸腾驱动泥浆喷出，而飞行的块状物堆积形成流动河流的过程——正是火星上那些奇怪的泥火山可能形成的方式。它证明了快速的沸腾和冻结并不会阻止泥浆，它们实际上有助于泥浆的移动并构建结构。研究人员使用了计算机模型来检查泥浆在飞行过程中是否能保持足够的热量，而数学计算显示：是的，液滴在着陆并流动之前，内部能保持液态。虽然这项实验规模较小（使用的是一个大约咖啡桌大小的托盘），且泥浆成分较为简单，但结果有力地表明，物理定律允许这些泥浆喷发在火星或其他冰冻世界发生。事实证明，我们原本认为会扼杀喷发的因素（沸腾），实际上正是维持喷发的引擎。
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