泰坦上的十大科學發現

□ 微涼

泰坦上的十大科學發現

□ 微涼

2005年1月14日13∶34分，歐空局的惠更斯號探測器因為降落在土星最大的衛星——土衛六（泰坦）表面而載入史冊，這是人類歷史上第一次成功在外太陽系著陸的探測器。

“惠更斯”搭載在美國宇航局的卡西尼號探測器上，進行了長達7年史詩般的旅行。在經歷了21天的獨自巡航后，最終飛抵被濃霧籠罩的土衛六（泰坦）上。進入泰坦的大氣層后，在經歷了危機四伏的2小時27分鐘下降后，惠更斯號探測器最終安全著陸在泰坦冰凍的表面上。

在與卡西尼號探測器失聯之前，惠更斯探測器還頑強地向地球傳回了長達72分鐘的珍貴數據。

一、泰坦大氣層概況

“惠更斯”上搭載的大氣結構儀對泰坦的大氣進行了首次現場測量，測定了從地表到1400千米高度的大氣溫度、壓力和密度。在歐空局的惠更斯號探測器到達泰坦之前，科學家們就知道泰坦的大氣主要由氮氣和少量甲烷組成，但對大氣結構，不同海拔的溫度和氣壓卻知之甚少。

通過監測探測器在進入大氣層時的減速率，惠更斯大氣結構儀測定了泰坦上層大氣的密度。而上層大氣溫度是根據密度和高度的變化測算得出的。在地表至160千米高度的低層大氣，大氣結構儀能夠直接測量出氣壓和溫度，以及電氣性質，如電容率以及離子分布。

大氣結構儀數據顯示，上層大氣比預期的更為溫暖和稠密，整個大氣層層次分明。500千米高度以上大氣層的平均溫度約為零下100攝氏度，與科學家們理論預計相悖的是，泰坦的大氣沒有中間層。500千米高度以下大氣層的溫度上升得非常快。在海拔250千米高度的平流層頂部，最高溫度能達到零下87攝氏度。隨著高度的降低，溫度也隨之穩步下降。在海拔44千米高度的平流層，最低溫度達到了零下203度。這一高度是平流層與對流層的邊界。在探測器接近地面時，溫度又有所升高，在著陸點溫度上升至零下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探測器上的降落成像系統/光譜輻射計在2005年1月14日拍攝的。圖像從西、北、東、南四個方位， 5個不同的高度（從上到下分別為150千米、30千米、8千米和300米）進行拍攝的結果

二、超級旋轉風

盡管之前科學家就已推斷出泰坦的大氣中可能存在強的緯向風(東風和西風) ，但第一次實際測量是由惠更斯探測器上的多普勒風儀實現的。

通過惠更斯探測器上無線電信號的多普勒頻移，并通過機載成像設備上進行全景拼接推算出探測器的下降軌跡，可計算出一個高分辨率的泰坦風垂直剖面，其估計精度高達1米/秒。

惠更斯號發現，在大多數的大氣下降過程中，緯向風都與泰坦自轉方向一致。在強勁的西風（約為120米/秒）作用下，惠更斯號一直在向東偏移。在降至60千米高度時，多普勒風儀在垂直風切變的作用下經歷了一次艱難的飛行。風速從55千米高度時的30米/秒降至30千米高度的10米/秒，在20千米高度時降至4米/秒。以后，風速降至零，而后又在7千米高度時反轉風向。

科學家們發現，風速在地表45千米至70千米區間，以及85千米以上時比泰坦的赤道轉速快得多。盡管觀測到的速度略低于預期值，但這是第一個泰坦超級旋轉風存在的有力證明。

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

三、神秘的甲烷

惠更斯號探測器對泰坦的低層大氣進行了第一次直接測量。探測器上氣相色譜質譜儀傳回的數據包括不同高度的氣體成分、同位素比值和痕量氣體（包括有機化合物）。關于泰坦的兩個關鍵問題是大氣中氮和甲烷的來源，以及甲烷維持其存在的奧秘。由于太陽光會破壞甲烷，它在大氣中的生存期只有數千萬年。因此必須持續或周期性地補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，甲烷的含量相當低，而且氣體是均勻混合的。然而，在海拔40千米的對流層上部，甲烷的相對含量開始逐漸增加。

下降的最后階段，在探測器著陸前甲烷的數量一直保持相對穩定。而在著陸后，甲烷突然增加了40%，而氮氣的計數率保持不變，這表明地表存在液態甲烷。這一現象可能是探測器表面材料發熱引起的。這種甲烷濃度升高的情況大約持續了一個小時，之后甲烷的濃度開始出現輕微的下降。

通過對甲烷中碳同位素的分析表明，泰坦上的甲烷不是微生物產生的。很可能是由于泰坦形成之初，有大量的液態甲烷被埋在地表的冰層之下，之后通過某種形式的冰火山活動到達地表。地表的光譜分析顯示泰坦存在更復雜的碳氫化合物，如乙烷、氰和苯。

▲ 數以百計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氫化合物

四、泰坦氮大氣層的起源

泰坦和地球是太陽系中僅有的兩個擁有大量氮氣的星球。

盡管旅行者號探測數據表明氮是泰坦上的主要大氣成分，但惠更斯號探測器上的氣相色譜質譜儀才第一次直接確認了大氣氮的存在，而其他測量數據則進一步揭示了這些氮氣的來源。

在探測器的下降過程中，氣相色譜質譜儀測量了大氣中的同位素比率和微量元素。氣相色譜質譜儀的目標之一是尋找較重的惰性氣體，如氬-36、氬-38、氪和氙。這些原始氣體曾在隕石、地球、火星、金星和木星的大氣中被探測到。

科學家們認為這些惰性氣體存在于整個太陽星云中，因此它們應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

惠更斯上的氣相色譜儀探測到的微量氣體中，有一種是放射性的氬-40。這一發現非常重要，因為氬-40的唯一來源是鉀-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活動的有力證明。

▲ 根據卡西尼號探測器所搜集的無線電數據推斷，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，在惠更斯號探測器著陸之前，沒人知道這層濃霧有多厚。

惠更斯號探測器上的降落成像系統/光譜輻射計提供了濃霧顆粒的光學特性、大小和密度的數據信息。觀測結果顯示，在整個下降過程中，探測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”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。

在惠更斯號探測任務之前，人們普遍認為這些微小的濃霧顆粒會慢慢地穿過平流層，最終凝結成云。一些科學家認為，經過甲烷等氣體的凝結，濃霧會在地表50千米到70千米消散。然而，惠更斯號探測器上的降落成像系統/光譜輻射計探測的數據顯示，“惠更斯號”直到地表30千米高度才開始顯露身形。

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

▲ 這張圖顯示了泰坦表面濃霧的形成過程

七、泰坦上的微小懸浮微粒

人們一直認為泰坦大氣中的微小顆粒(氣溶膠)在決定其溫度結構和大氣進程中扮演著重要的角色。然而，直到惠更斯任務，人們才有機會對這些粒子的化學成分進行直接測量。

科學家們通過氣相色譜儀、質譜儀和懸浮物質采集器和高溫熱解器得出了一組測量結果。采集的顆粒樣品在高溫熱解器中加熱使之蒸發成氣態并使其中的復雜有機物分解。接著這些經過高溫熱解器后的產物由氣相色譜儀和質譜儀進行分析。

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

八、干涸的河床和湖泊

惠更斯號探測器穿過層層濃霧，終于到達泰坦表面，傳回了一組壯觀且獨特的圖像。在2小時27分鐘的下降過程中，降落成像系統/光譜輻射計拍攝了數百張可見光圖像，其中包括幾組立體圖像，這些圖像為科學家構建數字地形模型提供了重要素材。

探測器下降期間拍攝的照片展示了河渠與沖積平原。探測器的相機揭示出了一片高原，上面雕琢著大量的暗色溝渠，形成了流域網絡，與地球上的同種結構存在很多類似之處。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域。

在惠更斯號的著陸點附近還看到了與地球上的結構類似的河石。卡西尼號的雷達觀測說明，暫現的洪水塑造了土衛六上的河床以及渾圓的水冰礫石，礫石可能是來自海拔較高區域的水冰基巖。

▲ 惠更斯號探測器登陸土衛六后拍攝的第一張照片

▲ 通過分析卡西尼號探測器傳回的數據，科學家們繪制出了這張泰坦內部結構的假想圖。這張圖中地核由含水巖層和地下海洋組成。地幔則由冰層構成

九、地下海的暗示

惠更斯號任務中最令人驚奇的發現之一是發現了泰坦大氣中一個不尋常的電子激發源。一系列的引力測量表明，這顆衛星在地表之下隱匿著一片內部的液態水和氨的海洋。“惠更斯號”在下降期間探測到的無線電信號還強烈表明，在泰坦地表35至50千米以下存在海洋。全球性液態海洋的發現讓土衛六成了太陽系中少數幾個可能潛在宜居的星球之一。

十、難以捉摸的沙丘

令科學家們吃驚的是，從卡西尼號探測器拍攝的圖像中尋找惠更斯號探測器著陸點的難度比預期的要大得多。“惠更斯號”的著陸點是一片柔軟的沙質河床。人們后來在著陸點以北大約30千米的地方看到了兩座沿經線方向分布的暗色沙丘，才證實了這一點。“卡西尼號”的雷達圖像與“惠更斯號”拍攝的照片中都可以看到這些難以捉摸的地貌。

科學家們在泰坦暗色的赤道區域看到了沙丘海，它們與地球上阿拉伯沙漠中的沙丘海類似。科學家們認為，泰坦上的沙粒并非由地球上這樣的硅酸鹽礦物組成，而是固態水冰粒，外面裹著大氣中落下的碳氫化合物。★

▲ 這張合成圖像是惠更斯號探測器上的降落成像系統/光譜輻射計拍攝到的探測器著陸點圖像

責任編輯：陳彩連