天文学

以为是行星的月亮

土星最大的土星天然卫星,泰坦不仅仅是月亮。它的大气层比地球密度大,其景观几乎千差万别。

拉尔夫·洛伦兹和克里斯托夫·索丁 对于科学N°393
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2005年1月14日,在德国达姆施塔特(Darmstadt)的欧洲太空作战中心,泰坦的第一张快照令人欣喜不已。如果我们不知道这些图像来自土星最大的卫星,我们可能会认为它们是火星或地球的新照片。在控制室中,有些人看到了加利福尼亚海岸,其他人看到了法国里维埃拉。甚至有人声称要在图森找到他的花园。

三周以来,惠更斯舱一直保持沉默,从卡西尼号探测器上脱离,绕土星运行后,降向泰坦。人们had测:这颗恒星会像太阳系外行星的类似大小的卫星吗,例如木星的那些-陨石坑的卡利斯托(Callisto)或the月的木卫三(Ganymede)?我们谁也没有想到如此接近地球的景观。惠更斯降落伞降落后,他的航拍照片显示出分支的河道散布着雨水般的小溪。该模块降落在潮湿,岩石覆盖的地点,即最近一次洪水的地点。泰坦如此奇怪的是他奇怪的熟悉的角色。
现在,经过五年的事后调查,我们将探测器的发现放在卡西尼号在土星周围飞越泰坦60倍以上重建的壁画中。由于它的大小(比水星大),动力学(比火星更活跃)和大气层(比地球更稠密),卫星看起来像一颗行星。非常多样的地质过程塑造了它的表面。甲烷在地球上起着水的作用。它从湖泊中蒸发,形成云层,落在雨中,挖掘山谷并返回湖泊。大气中含有氧气并且温度略高于-180°C就足够了,您会感到宾至如归...

在执行卡西尼-惠更斯号飞行任务之前,我们只看到泰坦的一维视图。在1980年和1981年的飞行中,旅行者号探测器只看到一个橙色的台球笼罩在薄雾中,而1990年代中期的天文台仅获得了一张粗糙的红外地图,显示了模糊的区域,即黑暗和明亮。没有任何迹象表明惠更斯发现了多种多样的景观和大气现象。从那以后,我们观察到了低纬度的沙海,夏季的北极大气,甚至在湖区甚至是阴天。

泰坦的低纬度地区-特别是广阔的Xanadu地区(请参见第38页上的图)-混合了鲜艳的崎hill山丘和黑暗的沙海。像陆地上最高的沙丘一样,高100米的沙丘会延伸数十或数百公里。土卫六的黑沙不是由地球上的石英等硅酸盐矿物制成,而是由碳氢化合物制成。

甲烷海

在两极附近,发现了液态烃(见对图):直径几公里深的盆地中的小湖;浅沼泽,例如安大略湖,比其陆地同名稍大;以及像里海一样广阔的海域,例如海妖之母(Kraken Mare)。这些湖泊的水位似乎随着时间而改变。

最后,在沙漠热带地区和湿润的极地地区之间,中纬度地区融合了非常侵蚀的景观和液体流动的痕迹。

在旅行者号飞行任务之后,行星学家推测土卫六可能会出现甲烷循环,其中的云,雨和海洋类似于地球上的水循环。这种推测是基于以下事实:土卫六的表面温度接近甲烷的三相点,就像地球的温度接近水的三相点一样。在此温度下,气体,固体和液体可以共存。这是否意味着物质的这三个阶段之间的过渡调节了土卫六的温度,还是一个巧合?支持该想法的第一个确凿证据是在1990年代后期用望远镜在预计会凝结甲烷的纬度上探测到短暂云。更近距离的观察,首先是用望远镜,然后是卡西尼号,显示了这些移动的云,像地球上的积云一样在大气层中升起,然后随着水滴转化成雨而消散。在某些地区,卡西尼号观测到云层通过后地表变暗,这可能表明那里已经下了雨。

虽然卡西尼号没有观测到降水,但惠更斯的航拍照片和他的表面测量结果毫无疑问地表明,泰坦的某些景观是由降水和地表迅速流动的液体所雕刻而成的。该模块的着陆点在赤道以南约十度处,在广阔的沙海中冰冷的浅色山丘边缘。图片显示远处有几条长沙丘,但着陆点周围的区域看起来更像是铺满卵石的沙质河床。我们中的一个人设计和建造的渗透仪进入土壤并测量其机械性能:惠更斯降落在相当柔软的地面上,看起来像湿沙或粘土。

根据温度计,渗透仪的热量散发得如此之快,以至于地面一定是潮湿的(就像在海滩上一样,用手指在湿沙中而不是干沙中感觉到更冷)。 。最后,最近的工作表明,甲烷蒸气已在惠更斯照相机的冷热交换器上冷凝。图像显示了落入相机视野的露滴反射的光的特征图案:外星液体的第一个特写镜头……

土卫六上的甲烷循环就像地球上的水循环一样,金星的大气对温室也是如此:这是一个极端的陆地过程。在地球上,太阳能每年平均足以在地球的整个表面上蒸发约一米的水。大气层在云层和雨水形成之前仅保留了几英寸的水分,因此地球上的大部分气象都由倾盆大雨组成,倾盆大雨每周下降相当于几英寸的水,一年后又蒸发了一年。

极端气候

在土卫六,微弱的阳光将蒸发量限制在每年约一厘米,但大气层可容纳相当于十米的液体。因此,土卫六应遭受倾盆大雨,引发数以百计的干旱间隔的山洪暴发。惠更斯登陆点无疑是其中一场山洪暴发的现场,发生在探测器到达之前一个月或一千年……泰坦的积聚和降水的气象周期是全球变暖对地球可能造成的极端变化。随着低层大气(对流层)变暖,它保留了更多的水分,从而增加了降水和干旱。

在地球上,热带地区以哈德利环流为主导:暖空气在赤道升起,并在流向两极时受到地球自转的剪切。在大约30度的纬度下,空气向下移动到地面。由于下降的空气是干燥的,因此在这些纬度上可以发现地球上的大多数沙漠。但是,土卫六在地球的16天中缓慢旋转,因此相应的循环从夏季的中纬度延伸到了冬季的极点。因此,整个赤道区域正在干drying,因此存在着以赤道为中心的广阔的沙海。

土卫六虽然凉爽得多,但其大气温度却与地球相似:对流层被温室气体加热,温度随海拔高度降低。在上方,平流层通过吸收太阳辐射而变暖。在地球上,吸收剂是臭氧。不透明的薄雾在土卫六上扮演着这个角色。为了分析这种雾霾,卡西尼号在经过土卫六附近的大约1000公里的高空采样。我们预计雾度由相对轻的烃分子(例如乙烷)组成,原子质量为30。但是卡西尼号检测到大量的重有机分子,包括苯,l蒽和原子质量高达2000或更高的大分子。 。该材料是通过阳光对大气甲烷的作用而形成的。它最终可能聚集成更大的颗粒,这些颗粒沉积在表面上形成沙海,但过程仍不清楚。

除了由太阳能控制的短期水循环外,地球还受到板块构造作用的长期循环作用。它涉及内部和表面之间的水交换。数亿年以来,火山热点和海脊从内部释放了水,并在俯冲带(地壳板块碰撞和下沉的区域)内陆进行了回收。如果不存在该循环,则水会在大气中积累,并最终逸入太空。

在泰坦上?在高层大气中的光化学反应(在太阳的作用下)以这样一种速率产生重有机分子,如果不进行更新,它们将在几百万年内耗尽大气和地表中的所有甲烷。因此,土卫六必须包含向大气中供气的甲烷地下储层。

卡西尼号没有观察到火山热点或板块构造的痕迹,但他确实发现了至少两个区域,即布袋弓弧形区和图伊雷希奥区,看上去像是冻结的火山流。它们在红外光下比泰坦的任何其他区域都亮,表明它们的成分不同。这种透明的物质可能是一团二氧化碳或氨,它们可能会因喷发而冻结,但其组成和来源仍然是个谜。地质活动的另一个迹象是几乎完全没有撞击坑:火山活动或类似过程正在使它们消失。我们还根据估计的影响频率推断出,目前的表面将有2亿至10亿年。

全球末日?

由于土卫六似乎没有板块构造,因此其内部循环不会像在地球上那样连续地展开,而会突然爆发。在重塑泰坦历史的提议中,内部将在三个时期内将甲烷释放到大气中:45亿年前泰坦的形成,25亿年前核心对流的开始,以及对流的开始。过去十亿年里的冰壳。最近的一幕可能会引发全球火山启示,重塑整个表面,就像十亿年前金星遭受的灾难一样。向大气中注入甲烷后,泰坦的表面会比今天湿润。在这些剧烈的事件之间,卫星将不会表现出任何构造活动,并且从内部流出的甲烷将是a流。这样的模型不仅解释了火山口的低密度,而且解释了大气的同位素组成。

根据描述其内部演化的模型,除了其深层甲烷储量外,泰坦还被认为拥有液态水的地下海洋。惠更斯进行的电气测量表明,在大约45公里深度处存在一层导电材料,大概是由水组成的。此外,根据卡西尼号(Cassini)的雷达测量,土卫六的地壳旋转速度将比核心快,就像液体层充当了滚珠轴承一样,使两个零件以不同的速度旋转。然而,对数据的新分析使这种解释成为问题。

不幸的是,土卫六的大气层阻止了卡西尼号更接近地表以寻找土星在海洋中感应产生的次级磁场。这样的测量有助于推断木星卫星上是否存在海洋。正在遵循各种途径来提高我们对土卫六重力场特性的认识。

像地球一样,土卫六知道,除了漫长而季节性的天气周期外,在几万到几百万年的中期,气候变化:其他行星施加的引力会慢慢改变地球的倾角和轨道,改变了从太阳接收的热量的强度,并导致了冰河时代的循环。

在土卫六上,南部的夏季比北部短,但强度更高,这是因为土星(以及土卫六)绕太阳绕着椭圆轨道。在南部夏至期间,卫星距离太阳大约百分之十。这些不对称的季节可能将挥发性化合物(例如甲烷和乙烷)从南部泵送到北部,那里有更多的湖泊和海洋。但是,随着时间的流逝,土卫六轴线的方向将不同于土星的轨道轴线的方向,并且在30,000年内,土卫六的北部夏季将比南部夏季更加强烈。北部的湖泊将枯竭,南部将形成其他湖泊。再次由于这个特征,土卫六比一个冰冻的月亮离地球更近。

从泰坦沙丘到纳米布沙漠

卡西尼号(Cassini)发现了既异国情调又熟悉的风景,这促使科学家们以新的视角看待地球。例如,土卫六的线性沙丘田地类似于撒哈拉沙漠或纳米布沙漠,那里的沙丘沿盛行风的两个方向排列。但是,土卫六的大气模拟很难再现沙丘的方向。这种差异将表明科学家们尚未完全了解这种沙丘的形成,或者表明泰坦的风受模拟中尚未考虑的影响所控制。

与我们对风产生的波的理解有关的另一个问题是:为什么在低重力和浓密的空气引起​​的波大于地球上的波时,在泰坦湖上没有观察到波?土卫六的旋转速度可能会随季节而略有变化,大气层和地表会像巨型飞轮一样加速或减速,这在地球上(在较小程度上)也可以看到。这种影响可能抵消了泰坦上波浪的形成。

卡西尼-惠更斯飞行任务提出的许多问题使得必须进行一系列装备着陆器,航天器和气球的飞行任务(例如NASA火星计划)。同时,卡西尼号每年仍继续飞越泰坦几次。去年八月,北部的春分发生在泰坦。随着太阳逐渐向北升起,大气环流和云模式发生变化。随着北极地区变冷而变暖,我们必须期待……意想不到的。

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