互动科普

如果事先不知道这些照片是从土卫六泰坦（Titan）上发回来的，我们大概会猜测这是火星或地球的最新照片。控制室里的一些人从照片上“认”出了加利福尼亚海岸，另一些人则“看”到了法国的蔚蓝海岸（French Riviera），甚至还有人说，土星的这颗最大的卫星看上去就像是在美国图森市（Tucson）的自己家后院。自从与卡西尼飞船（Cassini，以下简称卡西尼）分离并被送上独自前往泰坦的旅程以来，惠更斯探测器（Huygens，以下简称惠更斯）已经默默滑行了三个星期。我们这些焦急关注着它的人，对这个探测器都倾注了很深的个人感情。这不仅是因为我们把大部分职业生涯都投入到了这项探测任务当中，更是因为在研发系统和设备仪器时，我们把自己完全代入了探测器，站在它的角度上去思考，如何才能在一个奇异并且很大程度上未知的世界里完成探测任务。当时我们猜测，泰坦可能和外太阳系里其他差不多大小的卫星区别不大，比如满是环形山的木卫四卡利斯托（Callisto），或者遍布沟槽的木卫三加尼美德（Ganymede）。

于是，2005年1月14日早晨，这些从泰坦上传回的照片在德国达姆施塔特（Darm-stadt）的欧洲空间运作中心（European Space Operations Center）引起阵阵欢呼的同时，也给我们带来了极大的困惑。我们这些科学家之中没有一个人预料到，泰坦的地貌会如此形似于地球。挂在降落伞下徐徐降落的途中，惠更斯航拍到了由降雨汇成的溪流冲刷而成的支流纵横的河道。最终着陆地点则又潮又湿，遍布卵石，就像最近刚遭受过一场突发洪水一样。泰坦令我们感到如此熟悉，而这正是它的奇异之处。

5年过去了，我们有了充足的时间来消化惠更斯的发现，并将它们整合进卡西尼逐渐“拼凑”出来的一幅更大的图景之中——在围绕土星旋转的轨道上，卡西尼已经从泰坦身旁近距离飞越了60多次。不论是比个头（大过水星），比地质活跃程度（活跃过火星），还是比大气（厚过地球），泰坦都毫不逊色于行星。众多不同的地质过程塑造着它的地表。甲烷在泰坦上扮演着地球上水所扮演的角色：从湖泊中蒸发，形成云，变成雨，冲蚀出河谷，再流回湖泊。假如泰坦大气里有氧气，温度也不是–180℃，站在泰坦上你肯定会有回到“家乡”的感觉。

沙海和甲烷海

在卡西尼抵达土星之前，我们对泰坦的认识非常笼统。旅行者号探测器（Voyager）在1980和1981年飞过土星时，看见的泰坦只是一个被浓雾包裹着的橙黄色“撞球”；20世纪90年代中期能够做到的最佳观测，也只不过得到了一张粗略的红外泰坦地图，模糊不清地显示出一些明暗区域。科学家当时谈论泰坦时总是使用“地表”或“大气”这样笼统的词汇，仿佛区区一个测量数据或者一个描述性短语就足以概括整颗星球。在新数据的“狂轰滥炸”之下，如此笼统的描述已经不再适用。如今我们在谈论泰坦时，不得不使用越来越精确的描述，比方说“低纬度沙海”、“夏季时北极上方的大气”，或者“南部湖区某个多云的日子”。

泰坦的低纬度地区由浅色的崎岖山脉［最显著的一大片山区被命名为上都（Xanadu）］和一度被认为是液态海洋的深色沙海混合而成。（天文学家总是习惯把深色地区称之为“海”，月海就是最明显的例子。）沙海里高达百米的沙丘可以延伸数千千米，就像地球上最大的沙丘一样。泰坦上的深色沙粒不像地球上的沙子那样由石英（quartz）之类的硅酸盐矿物构成，而是由碳氢化合物（hydrocarbon）构成，看起来就像是成堆的咖啡粉。

在泰坦的两极地区，我们发现了液态碳氢化合物——那里既有湖岸陡峭、仅几十千米宽的小湖；也有“水域”开阔的浅滩，例如比地球上的同名湖泊略大一些的安大略湖（Ontario Lacus）；甚至还有海洋，比如跟地球上的里海（Caspian）一样广阔的克拉肯海（Kraken Mare）。这些湖泊的“水面”高度似乎在随时变化。被夹在沙漠般的热带地区和潮湿的两极地区之间的，则是不可思议且难以预测的中纬度地区，那里拥有被严重侵蚀的地貌和液体流动的证据。

在旅行者号探测器探访过泰坦之后，行星科学家就意识到，这颗卫星上可能存在由云、雨和海洋构成的甲烷循环，就像地球上的水循环一样。这种推测所依据的其中一条理由是这样一个测量数据：泰坦的表面温度非常接近于甲烷的三相点（triple point），就像地球的表面温度很接近水的三相点一样。在这一温度下，气态、液态和固态的甲烷（对于地球来说是水）能够同时存在。表面温度与三相点如此接近，这是巧合，还是三种物态之间的转换调节着泰坦表面的温度？泰坦上存在“水”的第一个有利证据，来自于上世纪90年代末地面望远镜的观测——当时天文学家在泰坦上发现了暂现云（transient cloud，即出现时间相对短暂的云），而它们出现的高度正是科学家预期甲烷能够凝结的高度。更好的望远镜观测，以及后来卡西尼的观测，能够看清这些云的动态过程：它们像积云（cumulus）一样向上翻滚膨胀，而后随着云里的液滴凝聚成雨而渐渐消散。在某些地区，卡西尼已经观测到云飘过之后地表的颜色加深了，这或许表明有雨落在了那里。

卡西尼并没有直接观测到降雨，但惠更斯的航拍照片确凿无疑地证明，泰坦上至少部分地貌的形成受到过降雨以及在地面上快速流动的液体的影响。惠更斯的着陆地点位于赤道以南大约10度，地处茫茫沙海之中几座浅色冰山的边缘。从传回的图像上可以看到，远处有几座长长的沙丘，但着陆点周围更像是一片河床，能够看到鹅卵石一块块杂乱地散布在沙子上。随惠更斯一同抵达目的地的，还有12年前本文作者之一洛伦茨读研究生时设计制造的一台针穿式硬度计（penetrometer），它刺入地下测量着陆地点的力学性质，结果发现那里“土质”松软，而且有一点黏，很像是潮湿的沙子或者黏土。

温度计表明，热量从探测器上流失的速度非常迅速，以至于可以据此推断，地面必定是潮湿的——就像把手指插入沙滩上的湿沙子里，感觉会比插入干沙子更冷一样。最近的研究指出，甲烷“蒸汽”或许已经在惠更斯探测器摄像机前寒冷的挡板上凝结了，一滴“露水”从摄像机视场前滑落时折射光线所形成的独特图案，可以在一张照片上清晰地看到——这是地球以外的液体第一次在镜头前近距离现身。

疯狂的行星

泰坦上的“水”循环和金星上的温室效应一样，都是地球上的类似过程走向极端的范例。在地球上，太阳光每年足以将一米深的水全部蒸发。但是，地球大气中能够容纳的水蒸气转换成水的话只有区区几厘米，水蒸气过多就会形成云和雨，因此地球上天气模式的主要特点就是，每隔一两个星期就会下几场雨，总降水量一般在几厘米左右。

在泰坦上，微弱的阳光每年只能蒸发大约1厘米的液态甲烷，而泰坦大气能够容纳的甲烷气体转换成液体却深达10米。因此，泰坦天气的主要特点应该是超级倾盆大雨，这样的大雨能够导致洪“水”泛滥，但在两场大雨之间间隔着长达几个世纪的干旱。惠更斯的着陆地点或许就是一场洪涝灾害的受灾现场，那场洪“水”可能发生在着陆前一个月，也可能发生在一千年前。泰坦上这种大涝大旱式的天气循环，正是地球上全球变暖导致气候走向极端之后可能出现的情景。随着地球大气最底层的对流层（troposphere）逐渐变暖，它能够容纳的水蒸气越来越多，暴雨和干旱都会变得越来越剧烈。

在地球上，决定热带地区气候的主要因素是哈得来环流（Hadley circulation）。暖空气在赤道地区上升并流向两极，途中受到地球自转的影响而发生偏转。到了南北纬大约30度左右，这些空气又降回到地面。这些俯冲下来的空气十分干燥，因此地球上大部分沙漠都出现在这一纬度。而在泰坦上，由于这颗卫星自转非常缓慢，每15天才自转一周，因此与哈得来环流对应的环流可以延伸更远——夏天可以延伸到中纬度地区，冬天甚至可以直达极地。由此产生的总体结果就是，整个赤道区域都被蒸干了——所以，泰坦上广阔的沙海集中在赤道上。

尽管比地球大气寒冷得多，泰坦大气中温度随高度变化的模式仍然与地球十分类似。对流层被温室效应加热，温度随高度的增加而降低。对流层上面是平流层（stratosphere），它靠吸收阳光辐射而升温。在地球上，负责吸收阳光的是臭氧（ozone）；而在泰坦上，吸收阳光的则是包裹整颗卫星的那层不透明薄雾——这充分体现了研究泰坦时反复出现的一个科学主题：物理过程与地球相似，物质成分却完全不同。

为了分析这层薄雾，卡西尼在大约1,000千米的高度上飞越泰坦时采集了高层大气的样本。在卡西尼实地采样之前，我们曾推测这层薄雾由一种相对较轻的碳氢化合物分子构成，比如分子量为30的乙烷（ethane）。结果，卡西尼飞船令人意外地检测到了大量大质量有机分子，包括苯（benzene）、蒽（anthracene）和许多分子量超过2,000的大分子化合物（macromolecule）。这些物质是大气中的甲烷在阳光的照射下形成的。根据推测，这些物质最终会聚合成更大的颗粒，逐渐沉降到地面形成沙海，但这一过程具体如何发生还完全未被理解。

全球灾变？

除了由太阳能驱动的短期水循环以外，地球还拥有一个由板块构造（plate tectonics）驱动的长期循环，涉及地球内部和地球表面水的交换。水在火山热点（volcanic hotspot）和洋中脊（mid-ocean ridge）附近从地球内部被释放出来，又在地壳板块相互碰撞并沉入地下的所谓“俯冲带”（subduction zone）附近回到地球内部，整个过程需要耗时数亿年。如果没有这种长期循环，水就会“堆积”在大气里，最终逃逸到太空中。

泰坦上情况又如何呢？高层大气中由太阳驱动的光化学反应会消耗甲烷并产生大质量有机化合物。按照这些反应的速度，泰坦大气中和表面上的甲烷在短短几百万年内就会全部用尽，除非甲烷能够得到补充 （参见《环球科学》2007年第6期《甲烷：火星与泰坦的生命证据？》一文）。因此，泰坦上必定拥有将甲烷补充到大气里的地下“仓库”——这个过程大致类似于地球上的长期水循环。

卡西尼没有在泰坦上发现任何火山热点，也没有找到任何板块构造特征，但它发现至少有两个地方看起来很像是冰冻的火山“熔岩”流，分别被称为“布袋弧”（Hotei Arcus）和“兑区”（Tui Regio）。在近红外波段，它们是泰坦上最明亮的地区，表明那里的化学构成与其他地方截然不同。一些科学家已经提出，这种明亮物质是火山喷发形成的二氧化碳或氨霜层，但它的成分和起源仍然是谜。泰坦上存在地质活动的另一个迹象是，那里几乎完全没有撞击形成的环形山，表明火山或者类似过程已经把本该存在的环形山填平了。根据推测的小行星撞击率，泰坦表面的年龄介于2亿年和10亿年之间。

由于泰坦上没有明显的板块构造，它的内部循环或许不像地球上这样会持续发生，而是一阵一阵间歇式发生的。在一个为重构泰坦演化历史而提出的理论模型当中，泰坦内部向大气中释放甲烷的过程分别发生于以下3个时期：45亿年前泰坦形成时、25亿年前核心对流启动时，以及不到10亿年前冰壳对流启动时。最近一次事件应该导致了一场全球性的火山爆发灾变，彻底改变了泰坦的整个地表，就像大约10亿年前降临在金星上的那场大灾变一样。甲烷刚被注入大气的时候，泰坦表面或许比今天更加潮湿。在剧烈变动期之间的间隔期，泰坦上的地质活动相对平静，从内部渗入大气的甲烷最多也只能算是涓涓细流。这样一个模型不仅解释了泰坦上环形山的稀缺，还详细地解释了泰坦大气中同位素的构成比例。

贮藏在泰坦地下的也许不仅仅是甲烷，一个描述泰坦内部演化的数学模型预言，泰坦地下或许拥有液态水构成的海洋。惠更斯完成的电学测量暗示，泰坦表面以下大约45千米处存在一层导电物质，水正是最主要的候选者。卡西尼的雷达测量则暗示，泰坦“地壳”的旋转速度快于内核，仿佛有一个液体层起到了巨型轴承的作用，让两者能以不同的速度自转。不过，最近所作的重新分析对这一结论提出了质疑。

遗憾的是，泰坦的大气让卡西尼无法进一步靠近它的表面，因而无法寻找土星在内部海洋中可能感生出来的次级磁场。这样的磁场在木星卫星内部海洋的确认方面起到了关键作用。泰坦上的次级磁场是否强到足以被探测出来的程度，科学家仍有争议。不过他们已经有了一些计划，打算在未来十年内搜寻这种磁场信号，同时寻找泰坦引力场中有能力“泄露天机”的扭曲变形。

泰坦的冰河世纪

除了随季节循环变化的天气模式和发生在地质学时标上的大气补充事件之外，泰坦和地球都还经历过持续几万到几百万年的中期气候变化。导致这一变化的原理，最早是苏格兰科学家詹姆斯·克罗尔（James Croll）在19世纪提出、塞尔维亚地球物理学家米卢廷·米兰科维奇（Milutin Milankovic）在20世纪初归纳提炼出来的：其他行星施加的引力会缓慢偏转地球的自转轴并偏移地球轨道，从而改变太阳带来的加热效果，导致冰河期的周期性出现。

在泰坦上，南半球的夏季要比北半球短，升温效果却要更胜一筹，因为土星沿着一条椭圆形轨道围绕太阳旋转（泰坦也是如此），在南半球的仲夏，泰坦到太阳的距离会缩短大约10%。这种不对称的季节变化，或许会使甲烷和乙烷之类的挥发性化合物自南向北“迁移”。事实上，目前泰坦北半球湖泊和海洋的数量确实远超南半球。然而，随着时间的推移，泰坦的两极和土星椭圆轨道之间的相对关系也会发生偏移。再过30,000年，北半球的夏季将强过南半球。北半球的湖泊会干涸，新的湖泊将在南半球形成。这是泰坦更像类地行星而非冰质卫星的又一个方面。

卡西尼在泰坦上发现的这种既奇异又熟悉的地貌，还促使科学家从一个全新的角度来研究地球。举例来说，泰坦上的线形沙丘地跟地球上的纳米布沙漠（Namib）或撒哈拉沙漠（Saharan）很相似，这两个地方线形沙丘的延伸方向都与当地大风的平均方向平行。然而，针对泰坦所作的大气模拟在重现沙丘走向时遇到了困难。这一问题或许是一个征兆，暗示科学家没有完全理解这种沙丘的形成过程，又或者泰坦上的风还受到某种效应的控制，只是现有模拟尚未考虑到这一点。

此外，迄今对泰坦上湖泊的观测表明，它们就像死水一样平静，表面没有一丝波浪。然而，泰坦上重力比地球弱，大气比地球厚，那里的波浪原本应该比地球上更强才对。这样的平静对于我们理解风浪形成过程意味着什么？泰坦的自转速率或许会随季节变化而略有改变，因为那里的大气和地面就像巨大的飞轮一样各自旋转，相互影响——这样的效应地球上也有，只是微弱得多。

可见，正如行星探测中经常会遇到的情况一样，卡西尼的发现揭示了更深层的问题。泰坦及其表面与大气复杂的相互作用，已经提出了各式各样的科学问题。要完全解答这些问题，就需要对泰坦派出包括着陆器、漫游车、甚至气球在内的一系列探测器，就像美国航空航天局（NASA）现在正在执行的火星计划一样。与此同时，卡西尼会继续每隔几个星期就飞临泰坦一次。2009年8月，泰坦的北半球迎来了春分。随着阳光逐渐北移，泰坦上的大气循环和云层模式将在我们眼前发生改变。自卡西尼抵达土星以来，一直被寒冷而死寂的黑暗所笼罩的泰坦北极地区，如今也开始逐渐升温。我们预期：随着北极的升温，泰坦会给我们带来更多意料之外的发现。