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泰坦上有液态甲烷在流动吗？
[ 录入者:champagnecat | 时间:2014-03-05 18:49:23 | 作者:京晶 译
| 来源:Astronomy | 浏览:263次 ]
原文标题：Does Methane flow on TITAN？
作者：Robert Zimmerman 原文来自：Astronomy Posted： 2014年2月刊
编译：京晶 审校：Linq （编译版权所有，未经许可请勿转载）
“惠更斯”号于2005年1月14日穿过泰坦（土星的卫星）厚重的大气层，在距地面10公里高处拍摄了这张360度全景照片。在该图中，明亮的区域是高山台地。高地上的阴暗区域是河道。这些河道似乎都通向一个更暗的区域——科学家怀疑那里是一个湖床。（图片来源：ESA/NASA/UNIVERSITY OF ARIZONA）
九年前，欧洲的“惠更斯”号穿过泰坦大气层，在这颗土星最大的卫星上安全着陆。行星科学家们不禁为此欣喜雀跃。
现任皇家天文学会主席David Southwood曾是欧洲空间局科学项目组主任。他说：“不得不说，当时我被看到的景象惊呆了。”
欧洲空间局局长Jean-Jacques Dordain则热情洋溢地评论说：“我们现在收集的数据将有助于揭开这个新世界的神秘面纱。”
美国宇航局卡西尼号飞船图像组首席科学家Carolyn Porco更是激动不已：“我很震惊！这真是太棒了！”（卡西尼号搭载“惠更斯”号飞向泰坦。在“惠更斯”号着陆后，它继续环绕土星飞行）。
Porco继而向我们描述了科学家们公认的最惊人的发现：“泰坦表面有许多河道。它们看上去像是被什么东西切割而成。。。。我认为最有可能的是流水的侵蚀。”
在“惠更斯”号登陆泰坦之前的三十多年里，行星科学家们已从理论上论证过甲烷就像地球上的河流一样在泰坦表面四处流动的可能性。一旦他们有机会凑近泰坦好好看个清楚，按照他们预想的情况，“惠更斯”号可能会发现在这颗阴冷、遥远的太阳系第二大卫星上面正淅淅沥沥地下着甲烷雨。雨水注入河流和湖泊，甚至海洋。
而这恰好正是“惠更斯”号在2005年1月拍摄的首张照片展示的景象：蛛网一般纵横密布的河道通向一个看似大湖泊的地方。对行星科学家来说，这个发现简直好到难以置信。
2005年1月14日，当“惠更斯”号接近泰坦表面时拍摄了这组照片。从左上至右下，照片依次展示了在距卫星地表150公里、20公里、6公里、2公里、600米 和200米高度捕捉到的泰坦的模样。（图片来源：ESA/NASA/JPL/UNIVERSITY OF ARIZONA）
到如今，虽然已过去了近十年的时间，行星科学家们仍对此事满怀激动，同时也困惑不已（困惑程度与“惠更斯”号登陆之前没什么两样）。卡西尼号把“惠更斯”号带到泰坦之后，就一直环绕着这个巨大的卫星飞行，搜寻着类似地球上的暴雨、河道、湖泊之类的现象和地貌特征。只不过，在泰坦上循环流动的不是水，而是甲烷。
乍看之下，泰坦就像是冰封的、幽暗的地球。它们虽然有许多相似的地方，但却是完全不同的两个世界。
在两次探索活动之前
荷兰天文学家Christiaan Huygens（惠更斯）于1655年发现泰坦。几个世纪以来，它在科学家眼中一直是太阳系最大的卫星。直到20世纪中期，科学家通过观测发现泰坦拥有厚厚的大气层，这使它看上去个头很大。木卫三这才凭借其5262公里的直径而一跃成为太阳系的第一大卫星。
即便如此，泰坦的个头（直径为5150公里）依旧比水星大。若它独立环绕太阳运动，科学家一定会将它视为一颗行星。
到了20世纪70年代，在两个旅行者号探测器飞掠土星之前，科学家们还不清楚泰坦那厚厚的大气含有哪些化学物质。一些人认为甲烷是其主要成分，另一些人则争论说氮的含量最高。还有一小部分人甚至提出泰坦上有流动的液态甲烷，并且汇流成海。不过，大家对如此大胆的想法应者寥寥。
接下去，旅行者1号在1980年11月从距离泰坦地表仅6490公里高处呼啸而过。在它抓拍的照片中泰坦呈现为一个光秃秃的、并被浓雾大气层层包裹的橙色球体（其大气厚度达200公里，外加一层厚度在380至500公里不等（厚度随海拔变化）的雾霾层）。泰坦大气的95%是氮，余下的部分是甲烷。泰坦的地表温度徘徊在寒冷刺骨的零下178摄氏度左右，地表压强则比地球表面的压强高了近50%。
当旅行者2号在1981年8月路过泰坦时，从230万公里远处拍摄了这张照片。遗憾的是，相机的滤波装置无法穿透浓雾弥漫的大气层，因而我们无法从照片中看见泰坦的表面。（图片来源：NASA/JPL）
旅行者号的观测结果显示，泰坦上的环境非常适宜液态甲烷和液态乙烷的存在。这些分子甚至可能像地球上的水一样蒸发循环，产生甲烷雨。随降雨落到地面的甲烷液体汇流成河，并最终积聚成甲烷湖泊。
在卡西尼号和“惠更斯”号飞临泰坦之前，上面提到的种种可能性只不过是科学假说。尽管行星科学家早就知道泰坦具备甲烷液体存在的条件，但毕竟还没有人亲眼见到。
异类行星
“惠更斯”号穿过泰坦的大气层，降落在一个貌似干涸湖床的地方。它在着陆过程中拍摄的一些照片让人惊叹不已：泰坦上有一些看似寻常的弯曲河流连接着一个像是湖泊的黑暗区域。
“惠更斯”号拍摄了两条彼此迥异的复杂河流系统。其中一个系统揭示出更精彩的内容：四散的小支流汇成一条大河，并最终涌入湖中。这些迂回曲折的河道看上去和地球上“九曲十八弯”的河流没什么两样。
在另一张照片中，主河道像箭杆一样笔直，小支流则沿着与其垂直的方向注入其中。由此看来，液体似乎不是随意弯曲流动，而是随地形走势注入湖中。
在把“惠更斯”号顺利带到泰坦后，卡西尼号前前后后已绕着泰坦飞了近100圈。它在可见光、红外和雷达波段为泰坦拍照，拍摄区域的面积总和达到卫星总表面积的一半以上。
卡西尼号主要使用的三个科学仪器分别是成像科学子系统（ISS）、光学和红外绘图光谱仪（VIMS）和最重要的雷达测绘仪。前两个仪器负责拍摄从紫外到红外波段的低分辨率图像和光谱（即把混合光分散成不同颜色（波长）的单色光）。受泰坦浓雾大气的遮挡，它们无法窥探到泰坦的地表。雷达测绘仪却可以无视大气的存在，清楚看到地表上个头在350米以上的物体。
2012年7月25日，卡西尼号在距离泰坦103000公里处拍摄了这张真彩照片。在该照片下方，我们可以清楚地看见泰坦的南极气旋。右中小图为气旋的特写照片。 它清楚显示了气旋内部的大气涡流特征。该真彩照片摄于2012年6月27日，距离泰坦484000公里处。当时，泰坦的冬季正在一步步临近。（图片来 源：NASA/JPL-CALTECH/SSI）
卡西尼号配备了可见光和红外绘图光谱仪。2013年9月12日，它为泰坦拍摄了这张红外影像。图中的绿色部分是含水冰的基岩。这类岩石遍布卫星表面。橙色部 分标示了可能有甲烷液体挥发的地区——类似于地球上的盐滩。（图片来源：NASA/JPL-CALTECH/UNIVERSITY OF ARIZONA/UNIVERSITY OF IDAHO）
这些观测揭示出泰坦异类的一面。其实，它只是乍看上去与地球相似而已。举例来说，泰坦的地壳由水冰构成。在地表的寒冷低温下，这些冰就像花岗岩一样坚硬。更何况，液态甲烷不溶于水。所以，甲烷液体在流动时，几乎不会侵蚀地表的水冰。这些水冰就如同基岩一般。
然而，地质学家知道，在地球上，长时间的流水冲刷会侵蚀基岩。同样地，当泰坦的甲烷河水顺山势流过“基岩”，经过漫长的时间，它也会慢慢侵蚀如石头般坚硬的水冰，把形成的卵石冰块冲到下游，并使它们在那里沉积下来。在此过程中，甲烷在泰坦表面蚀刻出一道道沟壑，形成类似地球的山谷、河道和峡谷那样的景观。
湖，不论以何为名
这只是泰坦与地球的惊人相似点之一。卡西尼号发现泰坦地表有数百个阴影区域。科学家认为这些区域是湖泊。其中，有几个黑暗地区看上去充盈着液体，另一些已经部分干涸了。有些区域与迂回的河道连通，其它区域倒像是过去的撞击产生的陨石坑或是火山口（火山岩浆喷出后，在山体内部留下空洞，导致山体表面崩塌形成的破损火山口。）
2007 年4月10日，卡西尼号的雷达绘图仪为泰坦表面一个狭长区域（长度为6700公里）绘制了这张照片。照片左侧的区域具有类似沙丘的地貌。然而，北方的区域 （照片右侧的区域）却显现出迥异的地貌特征——几个巨大的湖泊。（图片来源：NASA/JPL-CALTECH/ASI）
其中一个阴影区域是Ontario Lacus——它是泰坦南半球已知最大的湖泊（湖面横跨的距离为235公里）。卡西尼号传回的照片显示，该湖西南方向的湖岸线在2005至2009年期间后退了10公里。这说明湖水在慢慢干涸。而对另一阴影区域的反复观测表明，在一场暴雨之后没多久时间，那里就似乎出现了几个新湖泊。几年后，对同一区域拍摄的雷达图像显示，那些雨后形成的新湖泊已经消失不见。再一次，这暗示出它们在此期间已经干涸了。
尽管如此，弄清这些地貌的真正成因仍是个不小的挑战。雷达测绘仪拍摄的照片和日常生活中常见的照片完全不同。地表反射回的雷达波亮度反映了地表的光滑程度。因此，在雷达照片中，平滑的湖面表现为阴影区域，而明亮的区域则暗示着粗糙、起伏的山地。
可是，问题出在观测结果并不总是遵从上述的对应关系。例如，与周围起伏的山地相比，有相当数量的河谷和湖泊在照片中显示为明亮的区域。科学家认为，在此种情况下，雷达波的亮度其实暗示出它们是布满沙砾、卵石和岩石（直径在几厘米以上）的干涸河床或湖床。按此想法推断，流经此地的甲烷液体是窄小的辫状河流，在山谷中迂回蜿蜒，并且经常改道，与美国西南部的干河床地区的情形相似。
“沙漠干河床是个不错的比喻”，美国Knoxvill市田纳西大学的行星学家Devon Burr说。“河床里的石头是完美的圆形。不过，是夏天的季风把这些石头搬运到这里来的。在绝大多数时间，河床都是干的或者仅在最低洼的地方才有水流。”
对于那些在照片中表现为阴影区域的弯弯曲曲的河谷，科学家已经给出了几种解释。第一种观点认为这些河道是基岩被纵深切割形成的。它们之所以在照片中呈现为阴影，是因为山谷陡峭的岩壁阻挡了雷达回波。
第二种解释是，河床沉积物由一种非常细小的沙粒状粘稠物组成。因此，干河床就像是由干燥、柔软的雪粒铺就，具有类似细沙海滩一样的光滑表面（间歇出现的甲烷河水把沉积物留在此地）。
最后，还有一种可能性，即呈现为阴影的河道本身就是黑暗的。因为它们与湖泊一样，充满了甲烷液体。令人遗憾的是，截至目前，观测结果仍然无法告诉科学家哪种解释才是正确的。
在泰坦的地表有蜿蜒的河道，仅此一点便引出了一个更令人费解的谜题。在地球上，植物有助于稳固河岸，使其保持原位。可是，泰坦上根本没有植被——最起码，没有我们所知的任何生命。因此，河谷的存在说明在泰坦上，必然有某些未知的机制在起作用，保持着河岸的长期稳定。
降雨和洪水
要形成河流和碧波荡漾的湖泊，降雨必不可少。虽然，科学家们认为泰坦上的甲烷蒸发循环过程与地球上的水循环类似，可与此相关的大部分细节，比方说降雨量、降雨频率和地点，我们仍不清楚。
Burr解释说：“由于离太阳太远，泰坦无法像地球那样获得大量能源，因而也就不会像地球那样有许多降雨。不过，泰坦一旦开始下雨，由于积蓄过久的缘故，降雨过程通常也会比较激烈。”
根据卡西尼号和“惠更斯”号的观测结果，科学家估计泰坦上最大的雷雨可以在2小时内降下250厘米甲烷液体。与此相对，地球上有记载的最大降雨量是1小时30.5厘米。
虽然泰坦的降雨过程更猛烈，这还是让人不由得再次联想到（美国西南部）沙漠干河床和山洪暴发的贴切比喻。如此规模的狂风暴雨将产生骇人的滔天洪水，轻易就能在泰坦地表蚀刻出卡西尼号和“惠更斯”号看到的河道。
当然，这属于极端情况。根据卡西尼号的观测，泰坦也有和风细雨的时候。
现在，我们还不清楚泰坦上降雨的频率和强度。到目前为止，实际观测到的降雨，其绝大多数发生在泰坦南半球的高纬度地区。在卡西尼号环绕泰坦飞行的头几年，那里正好经常能被太阳光照到。有时，在短短两小时里，那里就有云朵形成，随后又迅速消散了。
从泰坦的云中降落的甲烷雨产生了上面图片显示出的变化。左图摄于2007年5月13日，显示了一个位于赤道的区域。中图和右图拍摄于2011年1月15日， 不过，二者的拍摄时间相隔15个小时。这两幅图中的亮斑是大气底层的云朵。它们所在的区域经常出现甲烷降雨雨。（图片来源：NASA/JPL/SSI）
2009年，泰坦的北半球步入了春季。随着照射到北半球的太阳光逐渐增多，科学家期待着那里出现降雨。不过，考虑到泰坦需要七年多的时间才能完成一次四季轮回，科学家们期待的变化一时半会儿还不会出现。
模糊的视野
不无遗憾的是，我们仍然无法看清泰坦河流的真面目。罪魁祸首便是泰坦那令人窒息的浓雾大气。它的存在大大降低了图像的分辨率。没有清晰的光学图像，科学家只能依赖于雷达探测。然而，雷达波虽然具有较好的分辨能力，它带来的问题也不少。
在科学家手中所有可用的泰坦地表照片中，仅有的几张清晰图片就是“惠更斯”号在降落和着陆过程中拍摄得到的。在它空降时拍的照片中，我们能够分辨直径在20米左右的物体。可是，当“惠更斯”号安全着陆后，它只传回了一张照片。照片里描绘了一片布满卵石的平原。平原向远方延伸出去，直至消失在地平线上，四处散落着直径在2.5毫米到15厘米的岩石和卵石。
“惠更斯”号在泰坦表面拍摄的唯一一张照片显示出其着陆点是一个干涸的河床。照片前景中的岩石，直径大约15厘米，而远方的岩石直径大约为1米。此照片摄于2005年1月14日。（图片来源：ESA/NASA/JPL/UNIVERSITY OF ARIZONA）
因此，到目前为止，除了“惠更斯”号提供的这些照片，泰坦上所有那些所谓的河道系统并不真的就是河流，而是宽阔的峡谷。纵使真有甲烷液体沿着这些蜿蜒的峡谷顺势流下，科学家也还是无法看到。
更何况，缺乏足够的分辨率意味着我们无法看见和确认许多最重要的地貌特征。比如说，仅仅依靠雷达探测很难确定河谷的下游方向。有时候，河谷会从明亮的区域（通常认为那里对应着起伏的山地）绕转到阴影区域（那里被认为是干燥或湿润的湖床）。虽然雷达测绘仪配备了测高仪用于测量地平高度，但在通常情况下，雷达观测还是无法分辨类似于河谷这样大小的地貌特征。
当然，常见的解决办法是把性能更好的探测仪器发到泰坦上去。行星科学家为此已经提出好几个探索项目：绕泰坦飞行的轨道卫星，在泰坦大气中漂浮数年的热气球，在泰坦的湖中放一艘船，漂浮30天以采集数据。
虽然，美国宇航局因为经费削减的缘故把行星探索项目推迟到下一个十年，他们却并不阻止这些项目的进行。反倒是行星科学家们认为目前的技术条件还未发展成熟，无法实现预定的方案，根本没把构想的探测项目列入2011年的项目建议书。不过，行星科学家们并没有因此中断工程设计工作，他们只是想等到下一个十年再申请项目经费。
卡西尼号将于2017年结束它的任务。届时，美国宇航局将操控它飞入土星的大气。在被逐渐增大的气压压垮之前，它仍将在土星的大气中为我们采集最后一批数据。
照片里，叠加在土星环的侧影和厚重大气之上的正是泰坦。2012年5月6日，在距离泰坦778000公里处，卡西尼号的成像科学子系统拍摄了这幅真彩照片。（图片来源：NASA/JPL-CALTECH/SSI）
在卡西尼号之后，研究泰坦地表的科学家们将再无探测器可用。他们恐怕要再等上几年，甚至可能几十年，才能等到一个新探测器重返泰坦。而在那之前，泰坦的河流将继续被浓雾大气遮挡，不复出现在我们的视野中。
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