泰坦上的十大科學(xué)發(fā)現(xiàn)

□ 微涼

泰坦上的十大科學(xué)發(fā)現(xiàn)

□ 微涼

2005年1月14日13∶34分，歐空局的惠更斯號(hào)探測(cè)器因?yàn)榻德湓谕列亲畲蟮男l(wèi)星——土衛(wèi)六（泰坦）表面而載入史冊(cè)，這是人類歷史上第一次成功在外太陽(yáng)系著陸的探測(cè)器。

“惠更斯”搭載在美國(guó)宇航局的卡西尼號(hào)探測(cè)器上，進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)7年史詩(shī)般的旅行。在經(jīng)歷了21天的獨(dú)自巡航后，最終飛抵被濃霧籠罩的土衛(wèi)六（泰坦）上。進(jìn)入泰坦的大氣層后，在經(jīng)歷了危機(jī)四伏的2小時(shí)27分鐘下降后，惠更斯號(hào)探測(cè)器最終安全著陸在泰坦冰凍的表面上。

在與卡西尼號(hào)探測(cè)器失聯(lián)之前，惠更斯探測(cè)器還頑強(qiáng)地向地球傳回了長(zhǎng)達(dá)72分鐘的珍貴數(shù)據(jù)。

一、泰坦大氣層概況

“惠更斯”上搭載的大氣結(jié)構(gòu)儀對(duì)泰坦的大氣進(jìn)行了首次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，測(cè)定了從地表到1400千米高度的大氣溫度、壓力和密度。在歐空局的惠更斯號(hào)探測(cè)器到達(dá)泰坦之前，科學(xué)家們就知道泰坦的大氣主要由氮?dú)夂蜕倭考淄榻M成，但對(duì)大氣結(jié)構(gòu)，不同海拔的溫度和氣壓卻知之甚少。

通過(guò)監(jiān)測(cè)探測(cè)器在進(jìn)入大氣層時(shí)的減速率，惠更斯大氣結(jié)構(gòu)儀測(cè)定了泰坦上層大氣的密度。而上層大氣溫度是根據(jù)密度和高度的變化測(cè)算得出的。在地表至160千米高度的低層大氣，大氣結(jié)構(gòu)儀能夠直接測(cè)量出氣壓和溫度，以及電氣性質(zhì)，如電容率以及離子分布。

大氣結(jié)構(gòu)儀數(shù)據(jù)顯示，上層大氣比預(yù)期的更為溫暖和稠密，整個(gè)大氣層層次分明。500千米高度以上大氣層的平均溫度約為零下100攝氏度，與科學(xué)家們理論預(yù)計(jì)相悖的是，泰坦的大氣沒(méi)有中間層。500千米高度以下大氣層的溫度上升得非?？?。在海拔250千米高度的平流層頂部，最高溫度能達(dá)到零下87攝氏度。隨著高度的降低，溫度也隨之穩(wěn)步下降。在海拔44千米高度的平流層，最低溫度達(dá)到了零下203度。這一高度是平流層與對(duì)流層的邊界。在探測(cè)器接近地面時(shí)，溫度又有所升高，在著陸點(diǎn)溫度上升至零下180度。這里的地表壓力是地球上的1.47倍。

▲ 這些泰坦圖像是惠更斯號(hào)探測(cè)器上的降落成像系統(tǒng)/光譜輻射計(jì)在2005年1月14日拍攝的。圖像從西、北、東、南四個(gè)方位， 5個(gè)不同的高度（從上到下分別為150千米、30千米、8千米和300米）進(jìn)行拍攝的結(jié)果

二、超級(jí)旋轉(zhuǎn)風(fēng)

盡管之前科學(xué)家就已推斷出泰坦的大氣中可能存在強(qiáng)的緯向風(fēng)(東風(fēng)和西風(fēng)) ，但第一次實(shí)際測(cè)量是由惠更斯探測(cè)器上的多普勒風(fēng)儀實(shí)現(xiàn)的。

通過(guò)惠更斯探測(cè)器上無(wú)線電信號(hào)的多普勒頻移，并通過(guò)機(jī)載成像設(shè)備上進(jìn)行全景拼接推算出探測(cè)器的下降軌跡，可計(jì)算出一個(gè)高分辨率的泰坦風(fēng)垂直剖面，其估計(jì)精度高達(dá)1米/秒。

惠更斯號(hào)發(fā)現(xiàn)，在大多數(shù)的大氣下降過(guò)程中，緯向風(fēng)都與泰坦自轉(zhuǎn)方向一致。在強(qiáng)勁的西風(fēng)（約為120米/秒）作用下，惠更斯號(hào)一直在向東偏移。在降至60千米高度時(shí)，多普勒風(fēng)儀在垂直風(fēng)切變的作用下經(jīng)歷了一次艱難的飛行。風(fēng)速?gòu)?5千米高度時(shí)的30米/秒降至30千米高度的10米/秒，在20千米高度時(shí)降至4米/秒。以后，風(fēng)速降至零，而后又在7千米高度時(shí)反轉(zhuǎn)風(fēng)向。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速在地表45千米至70千米區(qū)間，以及85千米以上時(shí)比泰坦的赤道轉(zhuǎn)速快得多。盡管觀測(cè)到的速度略低于預(yù)期值，但這是第一個(gè)泰坦超級(jí)旋轉(zhuǎn)風(fēng)存在的有力證明。

▲ 惠更斯號(hào)探測(cè)器下降至地表7千米到0.5千米之間的全景拼接圖像。探測(cè)器的地面軌跡以白色原點(diǎn)表示。圖像中心附近的山脊被十幾道黑色線條所割裂。字母X表示探測(cè)器的著陸點(diǎn)

三、神秘的甲烷

惠更斯號(hào)探測(cè)器對(duì)泰坦的低層大氣進(jìn)行了第一次直接測(cè)量。探測(cè)器上氣相色譜質(zhì)譜儀傳回的數(shù)據(jù)包括不同高度的氣體成分、同位素比值和痕量氣體（包括有機(jī)化合物）。關(guān)于泰坦的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是大氣中氮和甲烷的來(lái)源，以及甲烷維持其存在的奧秘。由于太陽(yáng)光會(huì)破壞甲烷，它在大氣中的生存期只有數(shù)千萬(wàn)年。因此必須持續(xù)或周期性地補(bǔ)充甲烷才能維持它在大氣中的比例。泰坦上大氣的主要成分是氮和甲烷。在平流層中，甲烷的含量相當(dāng)?shù)停覛怏w是均勻混合的。然而，在海拔40千米的對(duì)流層上部，甲烷的相對(duì)含量開(kāi)始逐漸增加。

下降的最后階段，在探測(cè)器著陸前甲烷的數(shù)量一直保持相對(duì)穩(wěn)定。而在著陸后，甲烷突然增加了40%，而氮?dú)獾挠?jì)數(shù)率保持不變，這表明地表存在液態(tài)甲烷。這一現(xiàn)象可能是探測(cè)器表面材料發(fā)熱引起的。這種甲烷濃度升高的情況大約持續(xù)了一個(gè)小時(shí)，之后甲烷的濃度開(kāi)始出現(xiàn)輕微的下降。

通過(guò)對(duì)甲烷中碳同位素的分析表明，泰坦上的甲烷不是微生物產(chǎn)生的。很可能是由于泰坦形成之初，有大量的液態(tài)甲烷被埋在地表的冰層之下，之后通過(guò)某種形式的冰火山活動(dòng)到達(dá)地表。地表的光譜分析顯示泰坦存在更復(fù)雜的碳?xì)浠衔?，如乙烷、氰和苯?/p>

▲ 數(shù)以百計(jì)的湖泊和海洋散布在泰坦的表面。這些湖泊中含有大量的碳?xì)浠衔?/p>

四、泰坦氮大氣層的起源

泰坦和地球是太陽(yáng)系中僅有的兩個(gè)擁有大量氮?dú)獾男乔颉?/p>

盡管旅行者號(hào)探測(cè)數(shù)據(jù)表明氮是泰坦上的主要大氣成分，但惠更斯號(hào)探測(cè)器上的氣相色譜質(zhì)譜儀才第一次直接確認(rèn)了大氣氮的存在，而其他測(cè)量數(shù)據(jù)則進(jìn)一步揭示了這些氮?dú)獾膩?lái)源。

在探測(cè)器的下降過(guò)程中，氣相色譜質(zhì)譜儀測(cè)量了大氣中的同位素比率和微量元素。氣相色譜質(zhì)譜儀的目標(biāo)之一是尋找較重的惰性氣體，如氬-36、氬-38、氪和氙。這些原始?xì)怏w曾在隕石、地球、火星、金星和木星的大氣中被探測(cè)到。

科學(xué)家們認(rèn)為這些惰性氣體存在于整個(gè)太陽(yáng)星云中，因此它們應(yīng)該是在行星形成的初期階段就被納入了土星和泰坦的大氣中。

五、放射衰變和冰火山活動(dòng)

惠更斯上的氣相色譜儀探測(cè)到的微量氣體中，有一種是放射性的氬-40。這一發(fā)現(xiàn)非常重要，因?yàn)闅?40的唯一來(lái)源是鉀-40的衰變，而鉀-40只存在于巖石中。泰坦上鉀-40唯一可能的來(lái)源是泰坦地幔深處的巖石。因此，氬-40的存在是泰坦存在地質(zhì)活動(dòng)的有力證明。

▲ 根據(jù)卡西尼號(hào)探測(cè)器所搜集的無(wú)線電數(shù)據(jù)推斷，泰坦表面的冰層下方很可能是一片浩瀚的海洋

六、霧蒙蒙的泰坦

泰坦最引人注目的特征之一是星球表面的橙色濃霧。然而，在惠更斯號(hào)探測(cè)器著陸之前，沒(méi)人知道這層濃霧有多厚。

惠更斯號(hào)探測(cè)器上的降落成像系統(tǒng)/光譜輻射計(jì)提供了濃霧顆粒的光學(xué)特性、大小和密度的數(shù)據(jù)信息。觀測(cè)結(jié)果顯示，在整個(gè)下降過(guò)程中，探測(cè)器一直被濃霧層層包裹，濃霧一直延伸到地表。

隨著海拔的降低，煙霧顆粒變得更加明亮，顆粒在碰撞的“雪球效應(yīng)”下逐漸變大。甲烷、乙烷和氰化氫氣體在低海拔位置不斷在顆粒上冷凝，使其變大。

在惠更斯號(hào)探測(cè)任務(wù)之前，人們普遍認(rèn)為這些微小的濃霧顆粒會(huì)慢慢地穿過(guò)平流層，最終凝結(jié)成云。一些科學(xué)家認(rèn)為，經(jīng)過(guò)甲烷等氣體的凝結(jié)，濃霧會(huì)在地表50千米到70千米消散。然而，惠更斯號(hào)探測(cè)器上的降落成像系統(tǒng)/光譜輻射計(jì)探測(cè)的數(shù)據(jù)顯示，“惠更斯號(hào)”直到地表30千米高度才開(kāi)始顯露身形。

▲ 這些泰坦表面的立體圖像是惠更斯號(hào)探測(cè)器上的降落成像系統(tǒng)/光譜輻射計(jì)于2005年1月14日在下降過(guò)程中拍攝的。該圖像是在地表150千米至200米之間的6個(gè)不同高度拍攝的

▲ 這張圖顯示了泰坦表面濃霧的形成過(guò)程

七、泰坦上的微小懸浮微粒

人們一直認(rèn)為泰坦大氣中的微小顆粒(氣溶膠)在決定其溫度結(jié)構(gòu)和大氣進(jìn)程中扮演著重要的角色。然而，直到惠更斯任務(wù)，人們才有機(jī)會(huì)對(duì)這些粒子的化學(xué)成分進(jìn)行直接測(cè)量。

科學(xué)家們通過(guò)氣相色譜儀、質(zhì)譜儀和懸浮物質(zhì)采集器和高溫?zé)峤馄鞯贸隽艘唤M測(cè)量結(jié)果。采集的顆粒樣品在高溫?zé)峤馄髦屑訜崾怪舭l(fā)成氣態(tài)并使其中的復(fù)雜有機(jī)物分解。接著這些經(jīng)過(guò)高溫?zé)峤馄骱蟮漠a(chǎn)物由氣相色譜儀和質(zhì)譜儀進(jìn)行分析。

在惠更斯號(hào)探測(cè)器的下降過(guò)程中一共采集了兩個(gè)大氣樣本。兩個(gè)樣本之間并沒(méi)有明顯差異，這表明氣溶膠的成分在兩個(gè)高度都是一樣的。采樣中含有大量的氨和氰化氫，這證實(shí)了碳和氮元素是氣溶膠的主要成分。

八、干涸的河床和湖泊

惠更斯號(hào)探測(cè)器穿過(guò)層層濃霧，終于到達(dá)泰坦表面，傳回了一組壯觀且獨(dú)特的圖像。在2小時(shí)27分鐘的下降過(guò)程中，降落成像系統(tǒng)/光譜輻射計(jì)拍攝了數(shù)百?gòu)埧梢?jiàn)光圖像，其中包括幾組立體圖像，這些圖像為科學(xué)家構(gòu)建數(shù)字地形模型提供了重要素材。

探測(cè)器下降期間拍攝的照片展示了河渠與沖積平原。探測(cè)器的相機(jī)揭示出了一片高原，上面雕琢著大量的暗色溝渠，形成了流域網(wǎng)絡(luò)，與地球上的同種結(jié)構(gòu)存在很多類似之處。狹窄的溝渠與寬闊的河流匯合，后者又流入了寬闊的暗色低地區(qū)域。

在惠更斯號(hào)的著陸點(diǎn)附近還看到了與地球上的結(jié)構(gòu)類似的河石?？ㄎ髂崽?hào)的雷達(dá)觀測(cè)說(shuō)明，暫現(xiàn)的洪水塑造了土衛(wèi)六上的河床以及渾圓的水冰礫石，礫石可能是來(lái)自海拔較高區(qū)域的水冰基巖。

▲ 惠更斯號(hào)探測(cè)器登陸土衛(wèi)六后拍攝的第一張照片

▲ 通過(guò)分析卡西尼號(hào)探測(cè)器傳回的數(shù)據(jù)，科學(xué)家們繪制出了這張?zhí)┨箖?nèi)部結(jié)構(gòu)的假想圖。這張圖中地核由含水巖層和地下海洋組成。地幔則由冰層構(gòu)成

九、地下海的暗示

惠更斯號(hào)任務(wù)中最令人驚奇的發(fā)現(xiàn)之一是發(fā)現(xiàn)了泰坦大氣中一個(gè)不尋常的電子激發(fā)源。一系列的引力測(cè)量表明，這顆衛(wèi)星在地表之下隱匿著一片內(nèi)部的液態(tài)水和氨的海洋?！盎莞固?hào)”在下降期間探測(cè)到的無(wú)線電信號(hào)還強(qiáng)烈表明，在泰坦地表35至50千米以下存在海洋。全球性液態(tài)海洋的發(fā)現(xiàn)讓土衛(wèi)六成了太陽(yáng)系中少數(shù)幾個(gè)可能潛在宜居的星球之一。

十、難以捉摸的沙丘

令科學(xué)家們吃驚的是，從卡西尼號(hào)探測(cè)器拍攝的圖像中尋找惠更斯號(hào)探測(cè)器著陸點(diǎn)的難度比預(yù)期的要大得多?！盎莞固?hào)”的著陸點(diǎn)是一片柔軟的沙質(zhì)河床。人們后來(lái)在著陸點(diǎn)以北大約30千米的地方看到了兩座沿經(jīng)線方向分布的暗色沙丘，才證實(shí)了這一點(diǎn)?！翱ㄎ髂崽?hào)”的雷達(dá)圖像與“惠更斯號(hào)”拍攝的照片中都可以看到這些難以捉摸的地貌。

科學(xué)家們?cè)谔┨拱瞪某嗟绤^(qū)域看到了沙丘海，它們與地球上阿拉伯沙漠中的沙丘海類似。科學(xué)家們認(rèn)為，泰坦上的沙粒并非由地球上這樣的硅酸鹽礦物組成，而是固態(tài)水冰粒，外面裹著大氣中落下的碳?xì)浠衔??！?/p>

▲ 這張合成圖像是惠更斯號(hào)探測(cè)器上的降落成像系統(tǒng)/光譜輻射計(jì)拍攝到的探測(cè)器著陸點(diǎn)圖像

責(zé)任編輯：陳彩連