12.3：泰坦和海卫星

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学习目标

在本节结束时，您将能够：

解释一下土卫六的浓密大气层如何使其表面的液体成为可能
描述一下我们在使用惠更斯探测器登陆泰坦时学到了什么
讨论 Voyager 2 飞过时我们在海卫一表面观察到的特征

现在，我们将注意力转移到太阳系更遥远部分的小世界上。土星的大卫星泰坦原来是地球的怪异表亲，尽管气温寒冷，但它有许多相似之处。卡西尼号对土卫六的观测提供了行星科学领域一些最激动人心的最新发现。海王星的卫星 Triton 也有不寻常的特征，类似于冥王星，我们将在下一节中讨论。

泰坦，有大气层和碳氢化合物湖的月亮

泰坦是荷兰天文学家克里斯蒂安·惠更斯在1655年首次发现的，是伽利略看到木星的四颗大卫星后发现的第一颗卫星。土卫六的直径、质量和密度与 Callisto 或 Ganymede 大致相同。据推测，它也有类似的成分——大约一半的冰和一半的石头。但是，土卫六在卫星中是独一无二的，它有浓密的大气层、湖泊和河流以及落雨（尽管它们不是由水组成的，而是由乙烷和甲烷等碳氢化合物组成，它们在土卫六的寒冷温度下可以保持液体）。

1980 年 Voyager 飞越土卫六确定其大气层的表面密度是地球表面密度的四倍。这颗月球上的大气压力为1.6巴，比任何其他月球上的压力都要高，而且值得注意的是，它甚至高于陆地行星火星和地球的大气压力。大气成分主要是氮，这是土卫六的大气层与地球大气相似的重要方式。

在土卫六的大气中还检测到一氧化碳（CO）、碳氢化合物（氢和碳的化合物），例如甲烷（CH ₄）、乙烷（C ₂ H ₆）和丙烷（C ₃ H ₈），以及氮化合物，例如氰化氢（HCN）、氰原（C₂ N ₂）和氰乙烯（HC ₃ N）。它们的存在表明了一种活性化学物质，其中阳光与大气中的氮气和甲烷相互作用，形成丰富的有机分子混合物。大气中还有多层碳氢化合物雾霾和云层，如图所示\(\PageIndex{1}\)。

alt — 人物泰坦大气层的\(\PageIndex{1}\)结构。土卫六大气层的某些特征与地球大气层的特征相似，尽管它比我们的星球冷得多。红线表示土卫六大气层在不同高度的温度。

这些 Voyager 的发现激发了一项更加雄心勃勃的探索计划，该计划使用了美国宇航局的卡西尼号土星轨道飞行器和欧洲航天局建造的名为惠更斯的土卫六着陆探测器。该轨道飞行器包括多台摄像机、光谱仪和雷达成像系统，在2004年至2015年间对土卫六进行了数十次近距离飞越，每次都会生成部分地表的雷达和红外图像（参见第11.1节 “探索外行星”）。惠更斯探测器成功地用降落伞降落在大气层中，从云层下方拍摄表面，并于 2005 年 1 月 14 日着陆。这是第一个（也是迄今为止唯一的）在外太阳系的月球上着陆的航天器。

在降落伞降落结束时，重达319公斤的惠更斯探测器安全降落，滑行了很短的距离，并开始向地球发送数据，包括大气层的照片和分析。它似乎降落在一个平坦、满是巨石的平原上，但是地表和巨石都是由水冰组成的，在泰坦的温度下，水冰像岩石一样坚硬（见图\(\PageIndex{2}\)）。

下降时拍摄的照片显示了包括排水渠在内的各种特征，这表明惠更斯降落在一个古老的碳氢化合物湖岸边。天空是深橙色的，太阳的亮度比地球上的阳光低一千倍（但仍然比地球上满月下的亮度高出一百多倍）。土卫六的表面温度为 94 K（−179 °C）。温暖的航天器对着陆处的冰进行了足够的加热，使其仪器能够测量释放的碳氢化合物气体。在探测器降至寒冷温度之前，地表测量持续了一个多小时。

alt — 泰坦表面的人物\(\PageIndex{2}\)视图。左图显示了在不同高度以扁平投影方式从下降摄像机拍摄的泰坦景色。右图是在着陆后拍摄的，显示了由微弱的红色阳光照亮的巨石散落的表面。巨石由水冰组成。

来自卡西尼号轨道飞行器的土卫六的雷达和红外成像逐渐形成了这颗月球上非常活跃的表面，既复杂又地质年轻（图）。极地附近有大型甲烷湖与大气中的甲烷相互作用，就像地球的水海与我们大气中的水蒸气相互作用一样。许多侵蚀特征的存在表明，大气中的甲烷会像雨一样凝结并掉落，然后从山谷流向大湖。因此，土卫六的低温相当于地球上的水循环，表面的液体会蒸发，形成云层，然后凝结成雨水，但在土卫六上，液体是甲烷、乙烷和少量其他碳氢化合物的混合物。这是一个奇怪的熟悉但完全陌生的景观。

alt — 人物\(\PageIndex{3}\)泰坦之湖。 (a) 这张来自 2006 年 9 月飞越的卡西尼号照片显示了土卫六上的液态湖。它们的成分很可能是甲烷和乙烷的组合。（由于这是雷达图像，因此颜色是人为添加的。深蓝色区域是液态湖泊的光滑表面，黄色是它们周围较粗糙的固体地形。） (b) 这幅来自卡西尼-惠更斯飞行任务的土卫六表面的马赛克详细展示了高山脊区域和许多狭窄而弯曲的侵蚀通道，这些河道似乎是由流动的碳氢化合物雕刻而成的广泛的 “河流” 网络的一部分。

这些发现提出了一个问题，那就是泰坦上是否会有生命。碳氢化合物是形成对地球生命至关重要的大碳分子的基础。但是，对于液态水或我们所知道的对生命至关重要的许多化学过程来说，土卫六的温度太低了。但是，仍然存在一种有趣的可能性，即泰坦可能已经开发出另一种形式的低温碳基生命，这种生命可以在液态碳氢化合物发挥水的作用下运行。发现这种 “我们不知道的生命” 可能比在火星上找到像我们这样的生命更令人兴奋。如果土卫六上存在这样一种真正的外星生命，它的存在将极大地扩大我们对生命本质和可居住环境的理解。

卡西尼号飞行任务科学家和美国宇航局喷气推进实验室的视觉呈现专家从卡西尼号和惠更斯拍摄的照片中整理了一些精美的影片。例如，参见泰坦进场和北湖区的天桥。

海卫一及其火山

海王星最大的卫星 Triton（别把它的名字和泰坦混淆）的直径为 2720 千米，密度为 2.1 g/cm ³，这表明它可能由大约 75% 的岩石和 25% 的水冰混合而成。测量结果表明，在我们的机器人代表访问过的所有世界中，海卫一的表面温度最低。由于其反射率非常高（约80％），Triton反射了落在其上的大部分太阳能，从而使表面温度在35到40 K之间。

Triton 的表面材料由冷冻水、氮气、甲烷和一氧化碳制成。甲烷和氮气在大部分太阳系中以气体形式存在，但它们在海卫一的温度下会被冻结。只有少量的氮蒸气持续存在形成大气层。尽管这种大气的表面压力仅为一巴的1600万分之一，但这足以支撑薄雾或云层。

海卫一的表面与外太阳系中的许多其他卫星一样，揭示了悠久的地质演化历史（图\(\PageIndex{4}\)）。尽管发现了一些撞击坑，但最近许多地区都被当地版本的 “熔岩”（可能是水或水氨混合物）淹没。还有一些混乱或多山的地形的神秘区域。

alt — 人物\(\PageIndex{4}\)海王星的月亮海卫星。这张 Voyager 2 Triton 图像的马赛克展示了各种各样的表面特征。底部的粉红色区域是特里顿的大型南极帽。海卫一的南极在这里面向太阳，轻微的加热效应正在将一些物质推向北方，那里比较冷。

Triton 的 Voyager 飞越发生在月球的南极向太阳倾斜的时候，这使地表的这一部分能够享受一段相对温暖的时期。（请记住，海卫一上的 “温暖” 仍然比我们在地球上经历的任何事情都要冷得多。）极地帽覆盖了特里顿南半球的大部分地区，显然沿着北部边缘蒸发了。这种极地帽可能由前一个冬天沉积的冷冻氮气组成。

值得注意的是，旅行者号的图像显示，海卫一极帽的蒸发会产生间歇泉或火山气流（见图\(\PageIndex{5}\)）。（这种气体的喷泉高约10千米，在稀薄的大气中可见，因为地表的灰尘随之升起，使它们变黑。）这些羽流在成分上与艾奥的火山羽流的不同之处在于，它们的能量来自使地表变暖的阳光，而不是来自内部热量。

alt — 图\(\PageIndex{5}\) Triton 的间歇泉。这张特写镜头显示了海王星卫星 Triton 上的一些间歇泉，在这张照片中，长长的尘埃列指向右下角。

关键概念和摘要

土星的卫星泰坦的大气层比地球的大气层还要厚。有液态碳氢化合物的湖泊和河流，有证据表明蒸发、冷凝和返回地表的循环与地球上的水循环类似（但含有液态甲烷和乙烷）。卡西尼-惠更斯着陆器降落在泰坦上，展示了一个由水冰制成的巨石的场景，它们比岩石更坚硬地冻结。海王星的冷月 Triton 的大气层非常薄，还有氮气间歇泉。