泰坦上的十大科学发现

□ 微凉

泰坦上的十大科学发现

□ 微凉

2005年1月14日13∶34分，欧空局的惠更斯号探测器因为降落在土星最大的卫星——土卫六（泰坦）表面而载入史册，这是人类历史上第一次成功在外太阳系着陆的探测器。

“惠更斯”搭载在美国宇航局的卡西尼号探测器上，进行了长达7年史诗般的旅行。在经历了21天的独自巡航后，最终飞抵被浓雾笼罩的土卫六（泰坦）上。进入泰坦的大气层后，在经历了危机四伏的2小时27分钟下降后，惠更斯号探测器最终安全着陆在泰坦冰冻的表面上。

在与卡西尼号探测器失联之前，惠更斯探测器还顽强地向地球传回了长达72分钟的珍贵数据。

一、泰坦大气层概况

“惠更斯”上搭载的大气结构仪对泰坦的大气进行了首次现场测量，测定了从地表到1400千米高度的大气温度、压力和密度。在欧空局的惠更斯号探测器到达泰坦之前，科学家们就知道泰坦的大气主要由氮气和少量甲烷组成，但对大气结构，不同海拔的温度和气压却知之甚少。

通过监测探测器在进入大气层时的减速率，惠更斯大气结构仪测定了泰坦上层大气的密度。而上层大气温度是根据密度和高度的变化测算得出的。在地表至160千米高度的低层大气，大气结构仪能够直接测量出气压和温度，以及电气性质，如电容率以及离子分布。

大气结构仪数据显示，上层大气比预期的更为温暖和稠密，整个大气层层次分明。500千米高度以上大气层的平均温度约为零下100摄氏度，与科学家们理论预计相悖的是，泰坦的大气没有中间层。500千米高度以下大气层的温度上升得非常快。在海拔250千米高度的平流层顶部，最高温度能达到零下87摄氏度。随着高度的降低，温度也随之稳步下降。在海拔44千米高度的平流层，最低温度达到了零下203度。这一高度是平流层与对流层的边界。在探测器接近地面时，温度又有所升高，在着陆点温度上升至零下180度。这里的地表压力是地球上的1.47倍。

▲ 这些泰坦图像是惠更斯号探测器上的降落成像系统/光谱辐射计在2005年1月14日拍摄的。图像从西、北、东、南四个方位， 5个不同的高度（从上到下分别为150千米、30千米、8千米和300米）进行拍摄的结果

二、超级旋转风

尽管之前科学家就已推断出泰坦的大气中可能存在强的纬向风(东风和西风) ，但第一次实际测量是由惠更斯探测器上的多普勒风仪实现的。

通过惠更斯探测器上无线电信号的多普勒频移，并通过机载成像设备上进行全景拼接推算出探测器的下降轨迹，可计算出一个高分辨率的泰坦风垂直剖面，其估计精度高达1米/秒。

惠更斯号发现，在大多数的大气下降过程中，纬向风都与泰坦自转方向一致。在强劲的西风（约为120米/秒）作用下，惠更斯号一直在向东偏移。在降至60千米高度时，多普勒风仪在垂直风切变的作用下经历了一次艰难的飞行。风速从55千米高度时的30米/秒降至30千米高度的10米/秒，在20千米高度时降至4米/秒。以后，风速降至零，而后又在7千米高度时反转风向。

科学家们发现，风速在地表45千米至70千米区间，以及85千米以上时比泰坦的赤道转速快得多。尽管观测到的速度略低于预期值，但这是第一个泰坦超级旋转风存在的有力证明。

▲ 惠更斯号探测器下降至地表7千米到0.5千米之间的全景拼接图像。探测器的地面轨迹以白色原点表示。图像中心附近的山脊被十几道黑色线条所割裂。字母X表示探测器的着陆点

三、神秘的甲烷

惠更斯号探测器对泰坦的低层大气进行了第一次直接测量。探测器上气相色谱质谱仪传回的数据包括不同高度的气体成分、同位素比值和痕量气体（包括有机化合物）。关于泰坦的两个关键问题是大气中氮和甲烷的来源，以及甲烷维持其存在的奥秘。由于太阳光会破坏甲烷，它在大气中的生存期只有数千万年。因此必须持续或周期性地补充甲烷才能维持它在大气中的比例。泰坦上大气的主要成分是氮和甲烷。在平流层中，甲烷的含量相当低，而且气体是均匀混合的。然而，在海拔40千米的对流层上部，甲烷的相对含量开始逐渐增加。

下降的最后阶段，在探测器着陆前甲烷的数量一直保持相对稳定。而在着陆后，甲烷突然增加了40%，而氮气的计数率保持不变，这表明地表存在液态甲烷。这一现象可能是探测器表面材料发热引起的。这种甲烷浓度升高的情况大约持续了一个小时，之后甲烷的浓度开始出现轻微的下降。

通过对甲烷中碳同位素的分析表明，泰坦上的甲烷不是微生物产生的。很可能是由于泰坦形成之初，有大量的液态甲烷被埋在地表的冰层之下，之后通过某种形式的冰火山活动到达地表。地表的光谱分析显示泰坦存在更复杂的碳氢化合物，如乙烷、氰和苯。

▲ 数以百计的湖泊和海洋散布在泰坦的表面。这些湖泊中含有大量的碳氢化合物

四、泰坦氮大气层的起源

泰坦和地球是太阳系中仅有的两个拥有大量氮气的星球。

尽管旅行者号探测数据表明氮是泰坦上的主要大气成分，但惠更斯号探测器上的气相色谱质谱仪才第一次直接确认了大气氮的存在，而其他测量数据则进一步揭示了这些氮气的来源。

在探测器的下降过程中，气相色谱质谱仪测量了大气中的同位素比率和微量元素。气相色谱质谱仪的目标之一是寻找较重的惰性气体，如氩-36、氩-38、氪和氙。这些原始气体曾在陨石、地球、火星、金星和木星的大气中被探测到。

科学家们认为这些惰性气体存在于整个太阳星云中，因此它们应该是在行星形成的初期阶段就被纳入了土星和泰坦的大气中。

五、放射衰变和冰火山活动

惠更斯上的气相色谱仪探测到的微量气体中，有一种是放射性的氩-40。这一发现非常重要，因为氩-40的唯一来源是钾-40的衰变，而钾-40只存在于岩石中。泰坦上钾-40唯一可能的来源是泰坦地幔深处的岩石。因此，氩-40的存在是泰坦存在地质活动的有力证明。

▲ 根据卡西尼号探测器所搜集的无线电数据推断，泰坦表面的冰层下方很可能是一片浩瀚的海洋

六、雾蒙蒙的泰坦

泰坦最引人注目的特征之一是星球表面的橙色浓雾。然而，在惠更斯号探测器着陆之前，没人知道这层浓雾有多厚。

惠更斯号探测器上的降落成像系统/光谱辐射计提供了浓雾颗粒的光学特性、大小和密度的数据信息。观测结果显示，在整个下降过程中，探测器一直被浓雾层层包裹，浓雾一直延伸到地表。

随着海拔的降低，烟雾颗粒变得更加明亮，颗粒在碰撞的“雪球效应”下逐渐变大。甲烷、乙烷和氰化氢气体在低海拔位置不断在颗粒上冷凝，使其变大。

在惠更斯号探测任务之前，人们普遍认为这些微小的浓雾颗粒会慢慢地穿过平流层，最终凝结成云。一些科学家认为，经过甲烷等气体的凝结，浓雾会在地表50千米到70千米消散。然而，惠更斯号探测器上的降落成像系统/光谱辐射计探测的数据显示，“惠更斯号”直到地表30千米高度才开始显露身形。

▲ 这些泰坦表面的立体图像是惠更斯号探测器上的降落成像系统/光谱辐射计于2005年1月14日在下降过程中拍摄的。该图像是在地表150千米至200米之间的6个不同高度拍摄的

▲ 这张图显示了泰坦表面浓雾的形成过程

七、泰坦上的微小悬浮微粒

人们一直认为泰坦大气中的微小颗粒(气溶胶)在决定其温度结构和大气进程中扮演着重要的角色。然而，直到惠更斯任务，人们才有机会对这些粒子的化学成分进行直接测量。

科学家们通过气相色谱仪、质谱仪和悬浮物质采集器和高温热解器得出了一组测量结果。采集的颗粒样品在高温热解器中加热使之蒸发成气态并使其中的复杂有机物分解。接着这些经过高温热解器后的产物由气相色谱仪和质谱仪进行分析。

在惠更斯号探测器的下降过程中一共采集了两个大气样本。两个样本之间并没有明显差异，这表明气溶胶的成分在两个高度都是一样的。采样中含有大量的氨和氰化氢，这证实了碳和氮元素是气溶胶的主要成分。

八、干涸的河床和湖泊

惠更斯号探测器穿过层层浓雾，终于到达泰坦表面，传回了一组壮观且独特的图像。在2小时27分钟的下降过程中，降落成像系统/光谱辐射计拍摄了数百张可见光图像，其中包括几组立体图像，这些图像为科学家构建数字地形模型提供了重要素材。

探测器下降期间拍摄的照片展示了河渠与冲积平原。探测器的相机揭示出了一片高原，上面雕琢着大量的暗色沟渠，形成了流域网络，与地球上的同种结构存在很多类似之处。狭窄的沟渠与宽阔的河流汇合，后者又流入了宽阔的暗色低地区域。

在惠更斯号的着陆点附近还看到了与地球上的结构类似的河石。卡西尼号的雷达观测说明，暂现的洪水塑造了土卫六上的河床以及浑圆的水冰砾石，砾石可能是来自海拔较高区域的水冰基岩。

▲ 惠更斯号探测器登陆土卫六后拍摄的第一张照片

▲ 通过分析卡西尼号探测器传回的数据，科学家们绘制出了这张泰坦内部结构的假想图。这张图中地核由含水岩层和地下海洋组成。地幔则由冰层构成

九、地下海的暗示

惠更斯号任务中最令人惊奇的发现之一是发现了泰坦大气中一个不寻常的电子激发源。一系列的引力测量表明，这颗卫星在地表之下隐匿着一片内部的液态水和氨的海洋。“惠更斯号”在下降期间探测到的无线电信号还强烈表明，在泰坦地表35至50千米以下存在海洋。全球性液态海洋的发现让土卫六成了太阳系中少数几个可能潜在宜居的星球之一。

十、难以捉摸的沙丘

令科学家们吃惊的是，从卡西尼号探测器拍摄的图像中寻找惠更斯号探测器着陆点的难度比预期的要大得多。“惠更斯号”的着陆点是一片柔软的沙质河床。人们后来在着陆点以北大约30千米的地方看到了两座沿经线方向分布的暗色沙丘，才证实了这一点。“卡西尼号”的雷达图像与“惠更斯号”拍摄的照片中都可以看到这些难以捉摸的地貌。

科学家们在泰坦暗色的赤道区域看到了沙丘海，它们与地球上阿拉伯沙漠中的沙丘海类似。科学家们认为，泰坦上的沙粒并非由地球上这样的硅酸盐矿物组成，而是固态水冰粒，外面裹着大气中落下的碳氢化合物。★

▲ 这张合成图像是惠更斯号探测器上的降落成像系统/光谱辐射计拍摄到的探测器着陆点图像

责任编辑：陈彩连