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惊涛拍岸土卫六

土卫六泰坦上的克拉肯海 另一颗星球上的异域海洋

Shea 发表于  2014-06-18 12:17

这里有甲烷潮汐、冰封的海岸以及太阳系中最怪异的漩涡。这里是土星最大的卫星——土卫六泰坦。图片来源:ning.com

(文/ Stephen Battersby)天空呈现出有害的橙色,但它向来如此。迫近的大漩涡发出轰鸣声,令人不安。随着云层聚集,比地球上所见更为猛烈的风暴即将来临。任何在这片另类海域上航行的水手都会犹豫:冒险进入克拉肯海的咽喉是否明智?

有一天,这可能成为在土星最大的卫星——土卫六(Titan)上上演的真实一幕。除了地球之外,土卫六是已知表面拥有液体的唯一天体。2006年,通过“卡西尼”探测器,我们第一次瞥见了它表面的湖泊和海洋。现在,在历经了8年的探测之后,“卡西尼”给我们带来了大量的惊人发现。土卫六海底的景观——之前被认为是不可能看到的,令人困惑的化学组成,预示着暴风雨即将来临的海浪,以及在克拉肯海的中心有一条危险的海峡将它几乎一分为二,那里也许是海怪的藏身之所。

如果真是这样,那这个海怪吞下肚可就不是水了。虽然在地球上由水构成的河流会从山石间流过,但土卫六人河流中流淌着的是液态甲烷,而它的山峦和平原则由水冰组成。远在“卡西尼”抵达之前,科学家通过计算发现,甲烷和其他碳氢化合物液体有可能会聚集成海,甚至形成一个全球性的海洋。不过,没有人能肯定,因为橙色的烟雾层遮蔽了它的表面。因此,“卡西尼”携带了“惠更斯”着陆器,它可以浮在碳氢化合物液体上。

2005年,当“惠更斯”一头扎入土卫六的云层时,它发回的图像揭示了出一幅类似地球的怪异景象。它降落在了一个遍布鹅卵石的泥滩上,那里的地面虽浸泡在甲烷中,却绝非希望中的海洋。

在接下去的近10年里,“卡西尼”对土星及其卫星进行了持续地探测,一次又一次地飞掠土卫六。它的红外像机向我们展现出土卫六表面朦胧的景色。雷达则可以穿透烟雾,提供更清晰的图像,但它只能在每次飞掠时勘测一小片区域。因此,构建一幅大的土卫六地图需要非常漫长的时间。

土卫六(左下)的个头比地球小,比月亮大。它是太阳系里除地球以外,唯一表面拥有液体海洋的星球。图片来源:es-static.us

深入海洋

有关湖泊的第一条清晰线索出现在2006年,当时雷达显示,土卫六北半球的低洼地点布满了深色斑块。随着雷达影像范围的逐渐扩大,这些液体结构中有一个的跨度似乎超过了1000千米,大到足以被看成是海洋了。根据挪威传说中的海怪,它被命名为克拉肯海(Kraken Mare)。从那时起,科学家又发现了另外两个海洋和几十个湖泊。

2013年,“卡西尼”又目击了一些被科学家认为是不可能的事情。5月23日,它从土卫六的第二大海丽姬娅海(Ligeia Mare)上方低处飞过。它的雷达瞄准了正下方,通过发射锐利的无线电波脉冲信号并测量它被反射回来的时间,就能够勘测出陆地和海洋的高度。

科学家第一次查看数据的时候,他们只看到了来自海面的单一回波,这跟先前的预期一样。利用为火星快车探测器雷达开发的算法,意大利罗马智德大学的马可·马斯特罗朱塞佩 (Marco Mastrogiuseppe)对原始数据进行了处理。然后,他看到在第一个回波1 微秒多一点之后,有被海底反射回来的第二个微弱的回波。

“发现丽姬娅海底部的时候,我正在去罗马的公共汽车上,”他说,“我非常兴奋,不禁告诉了坐在我旁边的人。他以为我疯了。”这是人类第一次测量出了地球之外一个海洋或湖泊的深度。第二个回波的达到时间显示,丽姬娅海的深度约为160米。

能够看到海底,这是一个巨大的惊喜。因为土卫六的大气层充满了会吸收雷达波的复杂碳氢化合物分子,每个人都认为其中的一些会搅浑海洋。美国康奈尔大学的亚历克斯·海斯(Alex Hayes)说:“我们曾认为看到海底是不可能的。”因此丽姬娅海必定不含这些复杂的碳氢化合物。乙烷和甲烷的混合体似乎是最有可能的选择。由于甲烷会这些海洋中快速蒸发,行星科学家预计更耐蒸发的乙烷会占据主导地位。

艺术家构想中土卫六液态甲烷海洋上遥望土星的情景。图片来源:taringa.net

然而,土卫六再一次让所有人大吃一惊。这一次,新的发现出自地球上的实验室。美国航空航天局(NASA)喷气推进实验室(JPL)的卡尔·米切尔(Karl Mitchell)及其团队,用和“卡西尼”雷达频率相近的无线电波照射了乙烷和甲烷的样本。他们发现,乙烷对无线电波有极强的吸收作用,无法给出土卫六上的海底景象。所以丽姬娅海似乎主要是由液态甲烷组成的。海斯说:“这让一切都倒向了它这一边。”一定有什么东西在向北部海域补充如水晶般清澈的甲烷。

对丽姬娅海的那一次飞掠,现在开启了对土卫六海底世界的更广阔视野。当海斯和美国亚利桑那大学的拉尔夫·洛伦茨(Ralph Lorenz)听说马斯特罗朱塞佩的发现时,他们意识到“卡西尼”可能此前就一直能够看穿海洋。海斯说:“我们邀请他第二天早上来喝咖啡,然后把他关在一间会议室里,直到他一五一十向我们解释清楚他得到的结果为止。”

土卫六的北半球分布着3个海洋和几十个湖泊,它们的规模甚至超过地球上北美洲的五大湖。点击查看大图。图片来源:《新科学家》

别样的海滩

当雷达处于成像而非探深模式时,它会稍稍偏向一侧,用较宽的波束照射土卫六表面。干旱的陆地一般看上去会较亮,因为粗糙的表面会把一些雷达波反射回去,平缓的湖泊看上去则显得较暗。但海洋总会存在一些反向散射的残余——这其实就是幽灵般的海底画面。

丽姬娅海的发现给了海斯及其同事重要的信息,由此绘制出了北部海域海底的粗略地图。根据这张地图,他们可以估计出土卫六上海洋的总体积——约70000立方千米,相当于地球上探明石油储量的55倍。这一结果有一个前提假设,即土卫六上其他的海洋也具有和丽姬娅海相同的组成和海底特征。2014年8月,当“卡西尼”从克拉肯海上空飞过时,我们应该就能知道事情是否真的如此了。理论上,雷达应该可以看到深达300米的结构。

作为最大的地外海洋,克拉肯海特别令人着迷,大多数针对土卫六规划的海洋探测任务都把它作为目标。在季节变化的间接帮助下,现在科学家已经完全绘制出了它的海岸线轮廓。

土卫六绕太阳一周,需要约29个地球年。自2004年以来,“卡西尼”已见证了其南半球的夏末、春分以及北半球现在正值的春季。随着阳光逐渐直射,“卡西尼”开始更频繁地对它的北半球进行观测,以此充分利用照相机的优势。这也为利用雷达探测其海洋提供了更多的机会。海斯和洛伦茨等人在2014年3月于休斯敦召开的月球和行星科学大会上,公布了一幅新的地图。

它显示,克拉肯海被海岬和一连串的岛屿几乎腰斩成了两个部分。洛伦茨称其为“克拉肯咽喉”。“我曾经想用解剖学术语‘括约肌’来称呼它,”洛伦茨说,“但实在不吸引眼球。”

他意识到,一些特别的事情可能会在这一海峡中发生。土星的引力预计会在土卫六的海洋中产生潮汐。当土卫六在环绕木星的轨道上运动的时候,克拉肯的潮起潮落大约能有 1米的落差。当它的北面涨潮时,南面则会落潮——通过克拉肯海咽喉,海水会从一端流向另一端。

根据洛伦茨的计算,在那里潮水的流速能达到每小时2千米。虽然对于我们来说,这仅仅是散步的速度,在土卫六上却非同小可。土卫六表面的重力要比地球上小得多,因此海洋中的液体也会轻得多。所以,潮水的流动很可能会使克拉肯海陷入混乱。洛伦茨把其咽喉与苏格兰的西海岸进行了类比——在那里有两座岛屿形成了科里弗雷肯海峡。那里流动的潮水在海面搅起了一个漩涡,是地球上最大的漩涡之一。几千米外就能听到它的声音。

克拉肯海也会有一个漩涡吗?如果是的话,那将会是一个有趣的巧合,因为根据传说,被用来命名这个海的海怪会产生能让水手葬身的漩涡。

科里弗雷肯海峡和其他地方的漩涡,都取决于海底岩石的位置和水的流速,因此土卫六上的潮汐流也许不会产生这样的漩涡。不过,洛伦茨建议,未来探测土卫六海洋的任务应该去聆听一下。也许它会听到克拉肯咽喉的怒吼。

科里弗雷肯海峡的游涡是地球上最大的漩涡之一。土卫六的克拉肯咽喉,也会有一个漩涡吗?图片来源:geograph.org.uk

除了潮汐,土卫六今天的海洋似乎死一般寂静。雷达探测显示,丽姬娅海如丝般光滑,高度变化不超过1毫米。其他海域均匀的黑色表明,它们也很平滑。美国西南研究所的亨特·韦特(Hunter Waite)说:“你可以在其中看清你的脸。”它们是真正的静海——但有一个可能例外。根据美国爱达荷大学的杰森·巴恩斯(Jason Barnes)及其同事的说法,2012年当雷达扫过土卫六上三大海中最小的蓬加海(Punga Mare)时,他们发现了4道可能是由海浪反射所致的闪光。这些海浪的高度虽只有几厘米,却可能预示着暴风雨季节的来临。

今天这些海洋之所以能这么平滑,是因为风很柔和。速度不超过每秒0.5米的风甚至都泛不起涟漪。不过,随着夏天的临近,土卫六的气候模型预言,风速可能会上升到每秒2米左右。虽然在地球上,这些微风仅能勉强泛起波光,但请记住,土卫六的低重力和轻液体使得那里的海洋十分敏感。土卫六的大气也比地球大气稠密得多,赋予了风更强大的力量。每秒2米的风可以产生约1米高的海浪。如果这些海浪抵达浅滩,浪高还会增长,或许足以吞没未来的冲浪者。

德国科隆大学的户叶哲也(Tetsuya Tokano)预测,可能存在更为极端的狂风。他的计算显示,土卫六上能够形成类似热带气旋的天气系统,风速可以高达每秒20 米。他的结论需要假定海洋中充满了挥发性甲烷,这正是雷达观测所暗示的。但是,洛伦茨对此表示怀疑:“我不能说这永远不会发生,但到目前为止,我们还没看到土卫六上的旋风。”

另一种类型的暴风雨更广为接受,它诞生自土卫六稠密的大气。虽然地球上的空气能容纳足够多的水蒸汽,足够在全球同时降下几厘米的雨水,土卫六大气中携带的甲烷却足以让整颗星球淹没在好几米深的液体之下。所有这些“湿气”可能会突然降到一个干旱了好几百年的地方,短短几小时内便全部倾倒下来。

“卡西尼”在抵达土星后不久便看到了土卫六南半球的云系,当时那里正值雨季的末期。洛伦茨说,气候模型预言,北半球的降雨会在未来几年内开始。“这有可能如我们所说,成为土卫六上有记录以来最大的暴雨。”

如果当真如此,将有助于补充北部海域的液体,甚至会形成新的湖泊或入海口。研究土卫六的云也可以告诉我们一些有关地球的信息。洛伦茨说:“土卫六是一个巨大的地球气候实验室,其中的云是气候模型中最大的不确定性因素。”土卫六上完全不同的环境可以检验这些模型的效力和灵活性。目前,“卡西尼”仍在监视土星系统。它会定期飞掠土卫六,扫描它的海洋,等待克拉肯苏醒。(编辑:Steed

 

编译自:《新科学家》,Into the methane depths of Kraken, Titan's strange sea

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畅游土卫六

距离地球10亿千米之外的海湾和海滩;从海浪和漩涡中缓缓升起的土星光环;另类的化学可能开启的生命起源。没有比土卫六更吸引人的目的地了。我们真的会发射一艘船去探测那里的海岸吗?

亨特·韦特(Hunter Waite)希望能更近一步,送一艘潜艇去那里。他说:“这并不比造艘船要难多少。”在美国西南研究所,韦特于2010年提出了这一任务的概念。他设计的母船携带一艘潜艇,后者通过让甲烷流入压载舱下潜。之后,通过抛弃压载舱,潜艇得以上浮。

或许有一天,我们会派遣一艘潜艇,去土卫六的甲烷海洋里一探究竟。图片来源:electronicsweekly.com

“卡西尼”雷达的最新结果也许会使这个想法更具吸引力。土卫六的大气充满了由复杂有机分子组成的烟雾,它们应该会通过降雨进入海洋,但观测显示海洋中不含这些分子。韦特说:“这也许暗示,它们沉积到了海洋的底部。”

这些沉积物也许是一座化学宝藏——尤其是土卫六内部的液态水会从海底渗出的话,就可以模拟地球早期无氧且富含有机物的环境。一艘潜艇还可以测量不同化学成分的同位素比,帮助地质学家了解土卫六的形成和演化。

在北半球下一个冬季到来之前,这一潜航任务必须争分夺秒。当这些海洋陷入黑暗而无法从地球上被看到时,任何探测任务都会变得愈发困难且少有回报。

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热门评论

  • 2014-06-19 12:04 以山为舷

    一把火点燃了土卫六!多么明亮啊!

    [34] 评论
  • 2014-06-18 13:08 Heat0n

    然后发现海底住着硅基生物O(∩_∩)O

    [19] 评论
  • 2014-06-18 20:27 深潜者
    引用@mmdjklswd 的话:我觉得造一个能在甲烷里面开的潜艇也不是很容易,毕竟液态甲烷温度相当的低,铁在低温下比较脆脆,能承受多大的压强很难说。低温下脆性低的金属像铝和铜强度又差了点,材料还是要考虑一下的要是送过去扔进海里然后受...


    高强度铝合金的比强度比高强度钢还高呢!再说还要考虑土卫六只有0.14G,液体甲烷的密度只有0.42kg/L。1km深土卫六海洋的压强仅仅是地球60m水深而已!

    [10] 评论

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全部评论(66)
  • 1楼
    2014-06-18 13:08 Heat0n

    然后发现海底住着硅基生物O(∩_∩)O

    [19] 评论
  • 2楼
    2014-06-18 13:52 rrsj

    Cosmos:A Space Time Odyssey里面有过介绍。当时就被震撼了

    [0] 评论
  • 3楼
    2014-06-18 15:47 巨神泰坦搜寻者

    作为资源采集地就好。

    [3] 评论
  • 4楼
    2014-06-18 16:26 mmdjklswd

    我觉得造一个能在甲烷里面开的潜艇也不是很容易,毕竟液态甲烷温度相当的低,铁在低温下比较脆脆,能承受多大的压强很难说。低温下脆性低的金属像铝和铜强度又差了点,材料还是要考虑一下的

    要是送过去扔进海里然后受不了压强爆了,那可是烧了一大堆钱啊……

    [0] 评论
  • 5楼
    2014-06-18 20:27 深潜者
    引用@mmdjklswd 的话:我觉得造一个能在甲烷里面开的潜艇也不是很容易,毕竟液态甲烷温度相当的低,铁在低温下比较脆脆,能承受多大的压强很难说。低温下脆性低的金属像铝和铜强度又差了点,材料还是要考虑一下的要是送过去扔进海里然后受...


    高强度铝合金的比强度比高强度钢还高呢!再说还要考虑土卫六只有0.14G,液体甲烷的密度只有0.42kg/L。1km深土卫六海洋的压强仅仅是地球60m水深而已!

    [10] 评论
  • 6楼
    2014-06-18 22:28 Muon

    想到 GATTACA~

    [0] 评论
  • 7楼
    2014-06-18 23:06 samlinlin
    引用@mmdjklswd 的话:我觉得造一个能在甲烷里面开的潜艇也不是很容易,毕竟液态甲烷温度相当的低,铁在低温下比较脆脆,能承受多大的压强很难说。低温下脆性低的金属像铝和铜强度又差了点,材料还是要考虑一下的要是送过去扔进海里然后受...

    液氦容器也用的是不锈钢啊,谁说铁基材料低温下会脆的?

    [0] 评论
  • 8楼
    2014-06-18 23:09 samlinlin
    引用@DZJ 的话:然后发现海底住着硅基生物O(∩_∩)O

    在地球上含碳量很低的水里,满是硅酸盐的海底都没有硅基生命。在含碳量极高的甲烷海里,溶解了大量复杂含碳有机物,温度又低很多,为什么会有硅基生命?

    [3] 评论
  • 9楼
    2014-06-18 23:57 mmdjklswd
    引用@samlinlin 的话:液氦容器也用的是不锈钢啊,谁说铁基材料低温下会脆的?

    土卫六表面只有零下一百八十度,甲烷海洋里温度非常可能更低,这么低的温度下铁脆的像薯片

    在西伯利亚或者南极,铁块就已经非常脆了,质量不好的砸冰面上就碎了,就算质量好用的时间长了也容易断裂

    912度的铁是体心立方晶体,这种结构在低温下就是非常脆

    [1] 评论
  • 10楼
    2014-06-19 12:04 以山为舷

    一把火点燃了土卫六!多么明亮啊!

    [34] 评论
  • 11楼
    2014-06-19 12:38 王若白Huskar

    当土卫六在环绕木星的轨道上运动的时候...

    为什么?

    [0] 评论
  • 12楼
    2014-06-19 12:43 半粒花生米
    引用@以山为舷 的话:一把火点燃了土卫六!多么明亮啊!

    氧化剂去哪找??

    [2] 评论
  • 13楼
    2014-06-19 12:56 叶迎风
    引用@以山为舷 的话:一把火点燃了土卫六!多么明亮啊!

    没有氧吧!

    [1] 评论
  • 14楼
    2014-06-19 13:19 此人常更名改姓
    引用@mmdjklswd 的话:我觉得造一个能在甲烷里面开的潜艇也不是很容易,毕竟液态甲烷温度相当的低,铁在低温下比较脆脆,能承受多大的压强很难说。低温下脆性低的金属像铝和铜强度又差了点,材料还是要考虑一下的要是送过去扔进海里然后受...

    这么说起来,会不会有其它“燃烧”的可能性啊,不会让人类带去史上最大规模的爆炸案吧?

    [0] 评论
  • 15楼
    2014-06-19 13:23 KcWolf

    Titan,怎么让我想到了黄仁勋

    [3] 评论
  • 16楼
    2014-06-19 13:29 mmdjklswd
    引用@此人常更名改姓 的话:这么说起来,会不会有其它“燃烧”的可能性啊,不会让人类带去史上最大规模的爆炸案吧?

    想让甲烷大爆炸得有足够的氧化剂,土卫六上没氧气,不会炸的


    [0] 评论
  • 17楼
    2014-06-19 13:30 深潜者
    引用@mmdjklswd 的话:土卫六表面只有零下一百八十度,甲烷海洋里温度非常可能更低,这么低的温度下铁脆的像薯片在西伯利亚或者南极,铁块就已经非常脆了,质量不好的砸冰面上就碎了,就算质量好用的时间长了也容易断裂912度的铁是体心...


    那是因为你用的铁合金牌号不对

    对于低温压力容器首先要选用合适的材料,这些材料在使用温度下应具有良好的韧性。经细化晶粒处理的低合金钢可用到-45℃,2.5%镍钢可用到-60℃,3.5%镍钢可用到-104℃,9%镍钢可用到-196℃。低于-196℃时可选用奥氏体不锈钢和铝合金等。

    [4] 评论
  • 18楼
    2014-06-19 13:37 我不是南北

    拉一根管子到地球 我们就可以有好多的天然气了 火炎焱燚

    [4] 评论
  • 19楼
    2014-06-19 13:42 此人常更名改姓
    引用@mmdjklswd 的话:想让甲烷大爆炸得有足够的氧化剂,土卫六上没氧气,不会炸的

    燃烧并不是必须氧气,只要是氧化剂或还原剂,最终膨胀的不一定要把氧气当成氧化剂,可能有其它的有机化成分也行呢啊。

    [0] 评论
  • 20楼
    2014-06-19 13:47 mmdjklswd
    引用@此人常更名改姓 的话:燃烧并不是必须氧气,只要是氧化剂或还原剂,最终膨胀的不一定要把氧气当成氧化剂,如果有另一个还原剂用甲烷能燃烧也行啊(这时甲烷是氧化剂)。

    我没说只有和氧气反应能爆炸,土卫六上也确实没什么能和甲烷反应起来的东西

    [0] 评论
  • 21楼
    2014-06-19 13:48 mmdjklswd
    引用@深潜者 的话: 那是因为你用的铁合金牌号不对对于低温压力容器首先要选用合适的材料,这些材料在使用温度下应具有良好的韧性。经细化晶粒处理的低合金钢可用到-45℃,2.5%镍钢可用到-60℃,3.5%镍钢可用到-104...

    我觉得还是钛合金更可靠,强度大,低温下脆性不明显,密度也小,运输成本低

    [0] 评论
  • 22楼
    2014-06-19 14:08 虚伪的牧羊人_93743
    嗯嗯引用@DZJ 的话:然后发现海底住着硅基生物O(∩_∩)O


    [0] 评论
  • 23楼
    2014-06-19 15:17 mrzhouxixi

    想起了《太阳系的奇迹》里考克斯描述过的泰坦星上的“甲烷雨”会如雪花般飘落的美丽场景

    [1] 评论
  • 24楼
    2014-06-19 15:56 魔233
    引用@以山为舷 的话:一把火点燃了土卫六!多么明亮啊!

    好像没有氧化剂

    [0] 评论
  • 25楼
    2014-06-19 15:59 凌月城

    那么少年,去土卫六冲浪吧,当然首先你得有一艘船

    [0] 评论
  • 26楼
    2014-06-19 16:42 nanjinren

    等地球文明能去土卫六采集甲烷的时候,人类应该不需要化学燃料了吧,应该能利用木星的液氢了。

    [0] 评论
  • 27楼
    2014-06-19 18:08 gilrandur

    成本成本啊

    [0] 评论
  • 28楼
    2014-06-19 18:28 Wavechaser

    克拉肯海... ...Kraken Sea,明明就是海妖之海嘛!Deep Space Kraken! 我一直在想,可以烧么?甲烷,清洁能源啊!然后发散性思维袭来,发现各大气体行星都是可以烧的(好可怕,幸好没有氧化剂),而且天王星的组成和屁有不少相似度,额,看来并没有辜负他的这个英文里面歧义到处都是的名字。

    不过去火星都要5年什么的,去一次土卫六就不知道多久了!

    [0] 评论
  • 29楼
    2014-06-19 20:41 雪风50446

    为嘛我看到甲烷就想点了它

    [1] 评论
  • 30楼
    2014-06-19 20:55 锴0118
    引用@以山为舷 的话:一把火点燃了土卫六!多么明亮啊!

    你确定有氧气?

    [2] 评论

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Shea
Shea 科学松鼠会成员,天文学博士,任教于南京大学天文与空间科学学院

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