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土卫六水世界的秘密

苏一横/文

土卫六的海洋和湖泊有着一些类似地球水世界的景观,也有着许多有趣的秘密等待人类去揭示.在一次次的探索之后,科学家们对于那片遥远的“水”世界已经有了更多的认识.

陌生而又相似

想象一下,你正站在一处风景如画的湖边,也许正在享受一个舒适的湖畔假期.你的身边被软草和绿树包围,平静的湖面映射着多云的天空.这里似乎马上就要下雨了,但周围还是十分宁静.突然,蓝天碧水的画面变了.环绕湖畔的绿色植被消失,只留下美国西南部沙漠的景观；湖畔的气候不再适宜,温度急剧下降,一路跌到了零下181℃；周围的空气变得厚重,闷得你喘不过气来,虽然你感觉自己的身体轻了7倍；天空变成了黄昏的橙色,云彩越来越密,雨水落了下来,雨滴的尺寸大得惊人,下落得却异常缓慢,当它们跌落地面时,溅起了巨大的水花.这时你缓过神来,注意到脚下的沙子变成了一粒粒冰珠和塑料泡沫,而湖里拥有的也不是水,而是别的什么液体.你惊讶得合不拢嘴,却又不得不屏住呼吸,因为空气中没有氧气.

如果你能想象到这一切,那么欢迎你来到土星最大的卫星——土卫六.在人类已知的卫星中,土卫六是极少数拥有液态表面和浓密大气层的卫星之一,它也是科学家们在太空中的主要探索目标.经过多年的观察,科学家们发现,土卫六的海岸线有着许多与地球相似的地方.在那里,你可以看到类似于撒哈拉沙漠近海区域中的沙丘、类似智利阿卡塔马沙漠所发现的锥形冲积扇（由水流冲击而成的泥沙沉淀区域）以及类似喜马拉雅山（延向印度洋）的巨型山脉.而且,土卫六的一些物质运输的机制也是与地球相同的,那里既刮风也下雨,同样以此来雕刻地貌、运输沉积物.相同的机制使土卫六成为了一个研究地球形成机制的天然实验室,那里可以实现许多无法在地球实验室中实现的极端条件.

烃类的世界

在土卫六这片低温的世界,水是无法以液态形式存在的,但土卫六仍然存在与地球相似的“水”循环,这里它的液体主要是甲烷.

在距离地面附近,甲烷在氮元素主导的土卫六大气层中占了5%,就像地球上的水一样,它们凝结成雨滴,持续降落到地面.据估计,如果土卫六大气中所有的甲烷跌落到地面,将会形成一片深达7米的汪洋覆盖整个土卫六地表；而相比之下,如果地球大气层中的水全部覆盖到地面,厚度只会有3厘米.在土卫六,频繁的甲烷雨从天而降,在地表流动冲刷,在岩床中“凿开”渠道,最后填补到凹陷处形成湖泊和海洋.

甲烷不仅塑造着地貌,也在设计着泥沙的成分.在土卫六的高层大气中,太阳光不停地将甲烷“拆开”,这一过程类似于地球高层大气中发生的光分解反应.甲烷分裂成了氢气和活性很高的化合物,前者逃到了太空,后者迅速重新组合,形成更复杂的烃类化合物,比如乙烷和丙烷.这些烃类也随着雨水降落地面,在经过漫长的地质年代后,它们被“订做”成了固体颗粒,成为土卫六沙丘和地表的基本物质.

所以,土卫六的海岸线看上去似曾相识,但“内容”却是陌生的.它的沙丘不是由石英或者硅酸盐堆成的,其主要成分是一些类似塑料的有机材料.冲积扇也非水流携带泥沙堆积而成,它们是冰粒和有机沉淀物的混合体,被流动的液态烃类化合物（主要是甲烷和乙烷）冲刷而成.山脉和海洋、湖泊也是如此,前者虽然可以横跨千里,但也只是断裂了的巨型“肮脏”冰块（因为掺杂了烃类）,后者则是一池庞大的液态烃类化合物.

季节和南北差异

与地球一样,土卫六也是有季节更替的.土星每30个地球年绕太阳转一圈,因此土卫六的一季长达7.5个地球年.2006年7月,卡西尼号探测器在土卫六的北极地区发现了湖泊和海洋,当时土卫六的北方正处于冬季.从那时候起,卡西尼号已经陆续发现超过300处填满液体的洼地,它们大小不一,小的只有0.4平方千米,大到足以超过北美的五大湖水区,可以称为“海”,比如克拉肯海、丽姬娅海和蓬加海.总体而言,湖泊和海洋覆盖了土卫六1%的表面,它们大多数位于北半球,据估计北半球的“水”域面积是南半球的35倍.

科学家们认为,土星绕太阳的椭圆轨道造成了这种南北差异.土星最接近太阳的时候是在土卫六南半球的夏天,正对着太阳最强烈的光线.另一方面,土卫六北半球的夏天却正好发生在土星系统远离太阳的时候.因此,南半球的夏季炎热而短暂,湖泊和海洋受到了比北半球“同行”们更密集的阳光.在年复一年的季节更替过程中,南半球更强更热的太阳光将甲烷和乙烷蒸腾,越来越多的液态烃便被驱动到了北半球.

如果这种解释是正确的,我们应该会注意到南北“水”世界的比例应该是随时间变化的.土星系统与土星绕太阳运转的轨道平面有27度的倾斜,因此土卫六夏季时相对于土星轨道平面的位置每5万年就改变一次,比如在3.5万年前,北半球的夏季要比南半球更短暂更炎热.这表明,土卫六南北半球液体容量的多寡大约每5万年到10万年之间就会改变一次.实际上,在南半球,科学家们已经发现了大量的洼地,它们的边界很像是一些古老的海岸线,而它们的面积也与北半球的海洋湖泊差不多.

深入湖泊、海洋

2006年之后,观测湖泊、海洋成为了卡西尼号探测器最重要的任务.在2013年5月,卡西尼号再次飞向土卫六,并采用“高度测量模式”来观察土卫六的第二大海——丽姬娅海.在“高度测量模式”下,卡西尼号探测器的雷达瞄准正下方,不停地发射无线电波脉冲信号并测量它被反射回来的时间,这样一方面能够勘测出陆地和海洋的高度（类似声呐）,另一方面还能够根据反射信号的强度来读出土卫六表面的粗糙度和物质成分.

当科学家们第一次查看数据的时候,他们没有找到任何来自海面的反射波信号.有科学家认为是数据处理方法出了问题,当改进了算法并再次处理雷达数据之后,终于发现有两个信号从海洋反射回来.科学家们认为,第一个信号来自于丽姬娅海海面,而第二个信号应该是来自于丽姬娅海海底,两个信号的时间差显示,丽姬娅海的深度约为160米.

对于丽姬娅海深度的探测意义非常,这是人类第一次测量出地球之外的一个海洋或者湖泊的深度,而且,在测量中能够“看到”海底,这是一个非常大的惊喜.无线电波穿越了320米的液体（从160米深的海底往返）而没有被完全吸收,这曾经被认为是不太可能的,因为土卫六的大气层充满了会吸收雷达波的复杂烃类化合物分子,每个人都认为这些分子可能也会搅到海洋中去,而且相比之下,雷达信号在地球海水里也只能穿透几厘米.根据液体对信号的吸收率,科学家们终于得出了结论,丽姬娅海中没有复杂的烃类化合物,更没有水,最可能拥有的应该是甲烷和乙烷的混合体.由于甲烷会从海洋中快速蒸发,科学家们预计更耐蒸发的乙烷会占据主导地位.

然而,土卫六再一次让所有人大吃一惊.在丽姬娅海之后,卡西尼号相继探测了其他海洋和湖泊.在北极的两个海洋——克拉肯海和蓬加海中,甲烷（而非乙烷）是主要成分,而南极的安大略湖（因形似加拿大的安大略湖而得名）,根据马斯特罗祖塞佩的方法,科学家们测出其深度为90米,并有着比丽姬娅海高50%的无线电波吸收率,这意味着安大略湖中拥有更加复杂的烃类化合物.所有这些观测结果都说明,一定有什么机制使甲烷一股脑地“倒”向北边,使北部海域中一直“进补”着甲烷.关于这一点,南北季节差异可能会起着部分作用,至于是否还有什么其他原因,科学家们尚未得出结论.

魔幻岛屿

在用“高度测量模式”飞过丽姬娅海两个月之后,卡西尼号探测器重新用“成像模式”观察海洋.在东南海岸线,它看到了一处10千米长的区域,这片区域曾经看上去是一片黑暗的海洋,现在却几乎和周围的海岸线一样明亮.起初,科学家们忽略了这片光亮区域,认为它只是暂时出现的“噪音信号”,但康奈尔大学的研究生詹森·霍夫加德纳对此非常好奇,他继续研究了不同时期拍摄的雷达图像,发现在丽姬娅海和克拉肯海都存在这样时隐时现的亮斑.这些地质结构有时非常明亮,有时却又不会出现,变化得非常快,霍夫加德纳把它们称为土卫六的魔幻岛屿.

魔幻岛屿的发现说明,土卫六的湖泊和海洋并非死水一潭,而是实实在在发生着变化.对于魔幻岛屿的来历,霍夫加德纳认为有四种可能：也许是北半球的风在丽姬娅海上掀起了波浪,被雷达误以为是魔幻岛屿；也许是气体从丽姬娅海的海底冒出,上浮到海面形成的泡沫；也许是在冬季形成的原本沉在海底的冰块,随着土卫六夏初气温的回暖而上浮到了海面；也许是既没有下沉也没有上浮的浮冰,它们只是像地球上的三角洲那样淤积在了一起.当然,也许以上四种原因都有一些,无论如何,科学家们意识到,土卫六的“水”世界一直在经历着丰富的地质过程.

地球的历史与它的海洋密切联系在一起,同样,土卫六的起源和演化也被记录在了湖泊和海洋中.科学家们的发现表明,海洋研究不再仅仅限于地球科学.尽管有着截然不同的环境条件,土卫六的海洋和湖泊使土卫六成为最类似地球的星球,它们就像镜子（虽然是扭曲了的镜子）,也许研究它们就可以使我们更加了解地球.

毫无疑问,土卫六的“水”世界中还有更丰富的信北部的湖泊息、更多的谜题,等待我们去探索、去解释.

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