□ 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，歐空局的惠更斯號探測器因為降落在土星最大的衛(wèi)星——土衛(wèi)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(jìn)行了長達(dá)7年史詩般的旅行。在經(jīng)歷了21天的獨自巡航后，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(lián)之前，惠更斯探測器還頑強地向地球傳回了長達(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)儀對泰坦的大氣進(jìn)行了首次現(xiàn)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(dá)泰坦之前，科學(xué)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(jié)構(gòu)，不同海拔的溫度和氣壓卻知之甚少。

通過監(jiān)測探測器在進(jìn)入大氣層時的減速率，惠更斯大氣結(jié)構(gòu)儀測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(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(tǒng)/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(jìn)行拍攝的結(jié)果

二、超級旋轉(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的緯向風(fēng)(東風(fēng)和西風(fēng)) ，但第一次實際測量是由惠更斯探測器上的多普勒風(fēng)儀實現(xiàn)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(shè)備上進(jìn)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(fēng)垂直剖面，其估計精度高達(dá)1米/秒。

惠更斯號發(fā)現(xiàn)，在大多數(shù)的大氣下降過程中，緯向風(fēng)都與泰坦自轉(zhuǎn)方向一致。在強勁的西風(fēng)（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(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(fēng)速降至零，而后又在7千米高度時反轉(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85千米以上時比泰坦的赤道轉(zhuǎn)速快得多。盡管觀測到的速度略低于預(yù)期值，但這是第一個泰坦超級旋轉(zhuǎn)風(fēng)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(jìn)行了第一次直接測量。探測器上氣相色譜質(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（包括有機化合物）。關(guān)于泰坦的兩個關(guān)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(shù)千萬年。因此必須持續(xù)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(dāng)?shù)?，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(shù)量一直保持相對穩(wěn)定。而在著陸后，甲烷突然增加了40%，而氮氣的計數(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)了一個小時，之后甲烷的濃度開始出現(xiàn)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(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，之后通過某種形式的冰火山活動到達(dá)地表。地表的光譜分析顯示泰坦存在更復(fù)雜的碳?xì)浠衔铮缫彝?、氰和苯?/p>

▲ 數(shù)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?xì)浠衔?/p>

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(shù)據(jù)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(zhì)譜儀才第一次直接確認(rèn)了大氣氮的存在，而其他測量數(shù)據(jù)則進(jìn)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(zhì)譜儀測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到。

科學(xué)家們認(rèn)為這些惰性氣體存在于整個太陽星云中，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

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(fā)現(xiàn)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(zhì)活動的有力證明。

▲ 根據(jù)卡西尼號探測器所搜集的無線電數(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(tǒng)/光譜輻射計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。觀測結(jié)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(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。

在惠更斯號探測任務(wù)之前，人們普遍認(rèn)為這些微小的濃霧顆粒會慢慢地穿過平流層，最終凝結(jié)成云。一些科學(xué)家認(rèn)為，經(jīng)過甲烷等氣體的凝結(jié)，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(tǒng)/光譜輻射計探測的數(shù)據(jù)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(tǒng)/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(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)，人們才有機會對這些粒子的化學(xué)成分進(jìn)行直接測量。

科學(xué)家們通過氣相色譜儀、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)雜有機物分解。接著這些經(jīng)過高溫?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(dá)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(tǒng)/光譜輻射計拍攝了數(shù)百張可見光圖像，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(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。

在惠更斯號的著陸點附近還看到了與地球上的結(jié)構(gòu)類似的河石?？ㄎ髂崽柕睦走_(dá)觀測說明，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，礫石可能是來自海拔較高區(qū)域的水冰基巖。

▲ 惠更斯號探測器登陸土衛(wèi)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(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)了泰坦大氣中一個不尋常的電子激發(fā)源。一系列的引力測量表明，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固枴痹谙陆灯陂g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(tài)海洋的發(fā)現(xiàn)讓土衛(wèi)六成了太陽系中少數(shù)幾個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(yù)期的要大得多。“惠更斯號”的著陸點是一片柔軟的沙質(zhì)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(jīng)線方向分布的暗色沙丘，才證實了這一點。“卡西尼號”的雷達(dá)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(xué)家們在泰坦暗色的赤道區(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探測器上的降落成像系統(tǒng)/光譜輻射計拍攝到的探測器著陸點圖像

責(zé)任編輯：陳彩連