泰坦(卫星)

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January 24, 2022

泰坦(古希腊语 Τιτάν)是土星最大的卫星,太阳系第二大卫星(仅次于木星的月亮木卫三),是太阳系中除地球外唯一一个在地表稳定存在液体的天体已被证实,并且是地球上唯一一颗拥有稠密大气层的卫星。泰坦成为已知的第一颗土星卫星——1655 年,它被荷兰天文学家克里斯蒂安·惠更斯 (Christian Huygens) 发现。

一般描述

土卫六的直径为 5152 公里(是月球直径的 1.48 倍),而土卫六的质量比地球卫星大 80%。泰坦也比水星大,虽然它的质量不如水星。它的重力大约是地球的七分之一。泰坦的质量是所有土星卫星质量的 95%。泰坦表面主要由水冰和沉积有机物组成。除了一些岩层和陨石坑以及一些冰火山外,它在地质上很年轻,大部分是平坦的。泰坦周围稠密的大气层使得在很长一段时间内都无法看到卫星的表面——直到 2004 年卡西尼-惠更斯号航天器的到来。大气主要是氮气;还有少量的甲烷和乙烷,它们形成了当地的海洋和云层,它们是液体和可能是固体沉积物的来源。地表有甲烷-乙烷湖泊和河流。地表的压力大约是地球大气压力的 1.5 倍。表面温度为-170-180℃。尽管温度低,但泰坦与处于发展初期的地球相比,不排除卫星上可能存在最简单的生命形式;特别是在地下水库中,那里的条件比地表要舒适得多。卫星上可能存在最简单的生命形式;特别是在地下水库中,那里的条件比地表要舒适得多。卫星上可能存在最简单的生命形式;特别是在地下水库中,那里的条件比地表要舒适得多。

发现历史和名称

1655 年 3 月 25 日,荷兰物理学家、数学家和天文学家克里斯蒂安·惠更斯发现了泰坦。受伽利略例子的启发,惠更斯和他的兄弟康斯坦丁一起创造了一个孔径为57毫米、放大倍数超过50倍的望远镜。惠更斯用这台望远镜观测了太阳系的行星——火星、金星、木星和土星。在后者中,科学家注意到一个明亮的天体在 16 天内围绕地球进行了一次完整的公转。经过四次旋转,1655 年 6 月,当土星环相对于地球的倾角较低且不干扰观测时,惠更斯终于确定他发现了土星的卫星。惠更斯将他的发现以字谜 admovere oculis faria sidera nostris 的形式加密,vvvvvvvcccrrhnbqx,其中包含奥维德的诗“Fasta”中的一行,惠更斯于 1655 年 6 月 13 日在给约翰沃利斯的一封信中发送了这个字谜。惠更斯在 1656 年 3 月 13 日写给沃​​利斯的一封信中给出了字谜的解码:纬度。 Saturno luna sua circleducitur diebus sexdecim horis quatuor(卫星在 16 天 4 小时内绕土星运行)。自望远镜发明以来,这是第二次发现卫星,距伽利略发现木星的四个最大卫星 45 年之后。两个多世纪以来,这颗卫星几乎没有被命名,惠更斯将这个新天体简称为 Saturni Luna(拉丁语中的“土星的月亮”)。一些天文学家称它为“惠更斯卫星”或简称为“惠更斯卫星”。在乔瓦尼·卡西尼 (Giovanni Cassini) 发现了另外四颗土星卫星之后,天文学家开始称它为土卫六土星 IV,因为它位于地球的第四位。1789 年之后,由于发现了新卫星,其中一些位于比已知卫星更靠近行星的轨道上,这种命名技术被废除了。 1847 年,约翰·赫歇尔(威廉·赫歇尔的儿子,发现土卫一和土卫二)发表了一篇文章“在好望角进行的天文观测结果”后,开始使用“泰坦”这个名字。在这篇文章中,这位天文学家提议以克罗诺斯(罗马神土星的希腊类似物)的姐妹和兄弟的名字命名当时已知的土星的七个卫星。谁发现了土卫一和土卫二)“在好望角进行的天文观测结果。”在这篇文章中,这位天文学家提议以克罗诺斯(罗马神土星的希腊类似物)的姐妹和兄弟的名字命名当时已知的土星的七个卫星。谁发现了土卫一和土卫二)“在好望角进行的天文观测结果。”在这篇文章中,这位天文学家提议以克罗诺斯(罗马神土星的希腊类似物)的姐妹和兄弟的名字命名当时已知的土星的七个卫星。

轨道和旋转

泰坦的轨道半径为 1,221,870 公里(土星半径的 20.3 倍)。因此,泰坦位于土星环之外,其中最外层 (E) 位于约 750,000 公里处。最近的两颗卫星的轨道距离土星 (Hyperion) 242,000 公里,距离土星 (Rhea) 695,000 公里。 Titan和Hyperion的轨道形成3:4的轨道共振。土卫六绕土星运行四圈,而海波龙只绕三圈。泰坦在 15 天 22 小时 41 分钟内以 5.57 公里/秒的平均速度绕地球完成一圈公转。卫星轨道为非圆形,偏心率为0.0288。轨道平面偏离土星赤道和环平面 0.348°。与太阳系中的月球和许多其他行星的卫星一样,泰坦由于潮汐捕获而相对于行星同步旋转。即绕其轴心自转和绕土星自转的周期重合,卫星总是从同一侧转向行星。经度是从通过这一边中心的子午线开始计算的。土星自转轴的倾斜度为26.73°,这保证了这颗行星及其卫星在南半球和北半球的季节变化。每个季节持续大约 7.5 个地球年,因为土星绕太阳运行大约 30 年。泰坦的自转轴垂直于其轨道平面,几乎与土星的自转轴同向。泰坦南半球的最后一个夏天于 2009 年 8 月结束。土星和土卫六的质心距土星中心仅30公里,由于其质量优越4227倍,因此卫星对行星运动的影响可以忽略不计。并且卫星总是转向同一侧的行星。经度是从通过这一边中心的子午线开始计算的。土星自转轴的倾斜度为26.73°,这保证了这颗行星及其卫星在南半球和北半球的季节变化。每个季节持续大约 7.5 个地球年,因为土星绕太阳运行大约 30 年。泰坦的自转轴垂直于其轨道平面,几乎与土星的自转轴同向。泰坦南半球的最后一个夏天于 2009 年 8 月结束。土星和土卫六的质心距土星中心仅30公里,由于其质量优越4227倍,因此卫星对行星运动的影响可以忽略不计。并且卫星总是转向同一侧的行星。经度是从通过这一边中心的子午线开始计算的。土星自转轴的倾斜度为26.73°,这保证了这颗行星及其卫星在南半球和北半球的季节变化。每个季节持续大约 7.5 个地球年,因为土星绕太阳运行大约 30 年。泰坦的自转轴垂直于其轨道平面,几乎与土星的自转轴同向。泰坦南半球的最后一个夏天于 2009 年 8 月结束。土星和土卫六的质心距土星中心仅30公里,由于其质量优越4227倍,因此卫星对行星运动的影响可以忽略不计。通过这一边的中心,计算经度。土星自转轴的倾斜度为26.73°,这保证了这颗行星及其卫星在南半球和北半球的季节变化。每个季节持续大约 7.5 个地球年,因为土星绕太阳运行大约 30 年。泰坦的自转轴垂直于其轨道平面,几乎与土星的自转轴同向。泰坦南半球的最后一个夏天于 2009 年 8 月结束。土星和土卫六的质心距土星中心仅30公里,由于其质量优越4227倍,因此卫星对行星运动的影响可以忽略不计。通过这一边的中心,计算经度。土星自转轴的倾斜度为26.73°,这保证了这颗行星及其卫星在南半球和北半球的季节变化。每个季节持续大约 7.5 个地球年,因为土星绕太阳运行大约 30 年。泰坦的自转轴垂直于其轨道平面,几乎与土星的自转轴同向。泰坦南半球的最后一个夏天于 2009 年 8 月结束。土星和土卫六的质心距土星中心仅30公里,由于其质量优越4227倍,因此卫星对行星运动的影响可以忽略不计。每个季节持续大约 7.5 个地球年,因为土星绕太阳运行大约 30 年。泰坦的自转轴垂直于其轨道平面,几乎与土星的自转轴同向。泰坦南半球的最后一个夏天于 2009 年 8 月结束。土星和土卫六的质心距土星中心仅30公里,由于其质量优越4227倍,因此卫星对行星运动的影响可以忽略不计。每个季节持续大约 7.5 个地球年,因为土星绕太阳运行大约 30 年。泰坦的自转轴垂直于其轨道平面,几乎与土星的自转轴同向。泰坦南半球的最后一个夏天于 2009 年 8 月结束。土星和土卫六的质心距土星中心仅30公里,由于其质量优越4227倍,因此卫星对行星运动的影响可以忽略不计。土星和土卫六的质心距土星中心仅30公里,由于其质量优越4227倍,因此卫星对行星运动的影响可以忽略不计。土星和土卫六的质心距土星中心仅30公里,由于其质量优越4227倍,因此卫星对行星运动的影响可以忽略不计。

尺寸及重量

泰坦的直径为 5152 公里,是太阳系中仅次于木星卫星木卫三的第二大卫星。长期以来,天文学家认为泰坦的直径为 5550 公里,因此泰坦比木卫三还要大,但航海者 1 号飞船进行的研究表明存在致密且不透明的大气层,这使得很难准确地确定对象的大小。泰坦的直径、密度和质量与木星的卫星木卫三和卡利斯托相似。钛比月球大 50%(半径),体积是月球的 3.24 倍,质量是月球的 80%。此外,泰坦比水星大,虽然它的质量不如水星。重力加速度为1.352 m / s²,这意味着重力约为地球的七分之一(9.81 m / s²),明显不如月球上的(1,62 m/s²)。土卫六的平均密度为 1.88 g/cm³,是土星卫星中密度最高的。土卫六占所有土星卫星质量的 95% 以上。到目前为止,泰坦是由与土星共同的尘埃云形成,还是单独形成并随后被行星引力捕获的问题尚未最终确定。后一种理论解释了卫星之间质量的这种不均匀分布。泰坦是一个足够大的天体,可以保持较高的内核温度,使其具有地质活跃性。泰坦是由与土星共享的尘埃云形成,还是单独形成并随后被行星引力捕获。后一种理论解释了卫星之间质量的这种不均匀分布。泰坦是一个足够大的天体,可以保持较高的内核温度,使其具有地质活跃性。泰坦是由与土星共享的尘埃云形成,还是单独形成并随后被行星引力捕获。后一种理论解释了卫星之间质量的这种不均匀分布。泰坦是一个足够大的天体,可以保持较高的内核温度,使其具有地质活跃性。

大气和气候

与水星和木卫三的大小相当,泰坦拥有超过 400 公里厚的广阔大气层。根据现代估计,泰坦的大气层含有 95% 的氮,对地表施加的压力是地球大气层的 1.5 倍。大气中甲烷的存在导致上层发生光解过程,并形成几层碳氢化合物“烟雾” “为什么泰坦是太阳系中唯一一颗无法在光学范围内观察到其表面的卫星。

大气的起源

关于大气的起源,目前还没有达成共识。有几个不同的版本,但每个版本都有严重的反驳。因此,根据一种理论,泰坦的大气最初由氨(NH3)组成,然后卫星在波长主要低于 260 nm 的紫外线太阳辐射的影响下开始脱气;这导致氨开始分解成原子氮和氢,然后结合成氮 (N2) 和氢 (H2) 分子。较重的氮沉到地表,较轻的氢逃逸到太空中,因为泰坦的低重力无法容纳并导致这种气体在大气中积聚。然而,这种理论的批评者指出,对于这样的过程,钛必须在相对较高的温度下形成,其中伴生物质可能会分离成石核和冰上层。然而,卡西尼号探测器的观测表明,泰坦的物质并没有那么清楚地细分成层。根据另一种理论,自泰坦形成以来,氮就可以保存下来,但在这种情况下,大气中也应该存在大量同位素氩 36,这也是原行星盘中气体的一部分,来自太阳系的行星和卫星由此形成。然而,观测表明泰坦大气中这种同位素的含量非常少。另一种理论于 2011 年 5 月 8 日发表在《自然地球科学》杂志上,表明泰坦的大气层是由大约 40 亿年前的强烈彗星轰击形成的。根据这个想法的作者,氮是在彗星与泰坦表面碰撞过程中由氨形成的;这样的“事故”发生的速度很快,撞击部位的温度急剧上升,同时也产生了非常高的压力。在这样的条件下,很可能发生化学反应。为了测试他们的理论,作者使用激光炮向一个由冷冻氨制成的目标发射金、铂和铜弹丸。这个实验表明,在撞击时,氨实际上分解成氢和氮。科学家们计算出,在对泰坦的强烈彗星轰击期间,应该形成大约 300 万亿吨的氮,据他们说,这足以形成泰坦的大气层。根据对氮同位素 15N 与 14N 之比的分析,对泰坦大气层损失与其原始特征的现代估计进行了比较。根据观测数据,已经确定这个比率是地球上的 4-4.5 倍。因此,土卫六大气的初始质量比现在大30倍左右,因为重力较弱,轻氮同位素14N在辐射加热和电离的影响下应该损失得更快,15N应该积累。和 15N 累积。和 15N 累积。

结构

泰坦大气层的边界大约是地球上的 10 倍。对流层边界位于海拔 35 公里处。一个广泛的对流层顶延伸到 50 公里的高度,那里的温度几乎保持恒定,然后温度开始上升。地表附近最低温度为-180℃,随着海拔的升高,温度逐渐升高,距地表500公里处达到-121℃。泰坦的电离层比陆地的电离层结构更复杂,它的主要部分位于海拔1200公里的地方。令人惊讶的是泰坦上存在电离层的第二层较低的层,位于 40 到 140 公里之间(在 60 公里的高度具有最大电导率)。

大气的气体成分

太阳系中唯一具有主要由氮组成的稠密大气的天体是地球和泰坦(海卫一和冥王星也有稀薄的氮大气)。泰坦的大气层由 98.4% 的氮气和约 1.6% 的氩气和甲烷组成,主要在高层大气中占主导地位,其浓度达到 43%。还有痕量的乙烷、丁二炔、甲基乙炔、氰基乙炔、乙炔、丙烷、二氧化碳、一氧化碳、氰、氦。几乎没有游离氧。由于泰坦没有明显的磁场,它的大气层,尤其是上层,受到太阳风的强烈影响。此外,它还受到宇宙辐射和太阳辐射的影响,特别是在紫外线辐射的影响下,氮和甲烷分子分解成离子或烃基。这些片段依次形成复杂的有机氮化合物或碳化合物,包括芳香族化合物(例如苯)。同样在上层大气中,形成了聚炔——一种具有共轭三键的聚合物。有机化合物,包括氮原子,使泰坦的表面和大气呈橙色(特别是从表面看天空时的颜色)。在太阳的影响下,所有的甲烷都将在 5000 万年(与太阳系的年龄相比非常短的时间)内转化,但这并没有发生。这意味着大气中甲烷的储备不断得到补充。火山活动可能是甲烷的可能来源之一。这些片段依次形成复杂的有机氮化合物或碳化合物,包括芳香族化合物(例如苯)。同样在上层大气中,形成了聚炔——一种具有共轭三键的聚合物。有机化合物,包括氮原子,使泰坦的表面和大气呈橙色(特别是从表面看天空时的颜色)。在太阳的影响下,所有的甲烷都将在 5000 万年(与太阳系的年龄相比非常短的时间)内转化,但这并没有发生。这意味着大气中甲烷的储备不断得到补充。火山活动可能是甲烷的可能来源之一。这些片段依次形成复杂的有机氮化合物或碳化合物,包括芳香族化合物(例如苯)。同样在上层大气中,形成了聚炔——一种具有共轭三键的聚合物。有机化合物,包括氮原子,使泰坦的表面和大气呈橙色(特别是从表面看天空时的颜色)。在太阳的影响下,所有的甲烷都将在 5000 万年(与太阳系的年龄相比非常短的时间)内转化,但这并没有发生。这意味着大气中甲烷的储备不断得到补充。火山活动可能是甲烷的可能来源之一。包括芳香族化合物(例如苯)。同样在上层大气中,形成了聚炔——一种具有共轭三键的聚合物。有机化合物,包括氮原子,使泰坦的表面和大气呈橙色(特别是从表面看天空时的颜色)。在太阳的影响下,所有的甲烷都将在 5000 万年(与太阳系的年龄相比非常短的时间)内转化,但这并没有发生。这意味着大气中甲烷的储备不断得到补充。火山活动可能是甲烷的可能来源之一。包括芳香族化合物(例如苯)。同样在上层大气中,形成了聚炔——一种具有共轭三键的聚合物。有机化合物,包括氮原子,使泰坦的表面和大气呈橙色(特别是从表面看天空时的颜色)。在太阳的影响下,所有的甲烷都将在 5000 万年(与太阳系的年龄相比非常短的时间)内转化,但这并没有发生。这意味着大气中甲烷的储备不断得到补充。火山活动可能是甲烷的可能来源之一。这是从表面看天空时的颜色)。在太阳的影响下,所有的甲烷都将在 5000 万年(与太阳系的年龄相比非常短的时间)内转化,但这并没有发生。这意味着大气中甲烷的储备不断得到补充。火山活动可能是甲烷的可能来源之一。这是从表面看天空时的颜色)。在太阳的影响下,所有的甲烷都将在 5000 万年(与太阳系的年龄相比非常短的时间)内转化,但这并没有发生。这意味着大气中甲烷的储备不断得到补充。火山活动可能是甲烷的可能来源之一。

大气质量的环流

泰坦表面附近的风通常很弱,大约为 0.3 m/s,在低空风向会发生变化。在海拔超过 10 公里的地方,泰坦的大气层中不断吹来相当强的风。它们的方向与卫星的自转方向重合,它们的速度随着高度的增加而增加,从10-30km高度的每秒几米到50-60km高度的30m/s,导致形成差速旋转。在超过 120 公里的高度,会发生强烈的湍流——它的迹象早在 1980-1981 年就被注意到了,当时航海者号航天器飞过土星系统。然而,令人惊讶的是,在泰坦大气层约 80 公里的高度,记录到平静——既没有风吹低于 60 公里,也没有观察到两倍高的湍流运动,穿透这里。这种奇怪的动作冻结的原因尚未得到解释。然而,在泰坦上,就像在地球上一样,风暴不时形成。太阳光线对地表的加热在大气中产生向上的气流,引起强大的对流、水分运动和云层凝结。与地球不同的是,在泰坦上,强大的云层随着季节的变化而在纬度上移动得更多,而在地球上,它们则略微向北或向南移动。根据惠更斯号飞船下降期间收集的不同高度风速数据,建立了泰坦上大气质量运动的模型。根据得到的结果,泰坦的大气层是一个巨大的哈德雷细胞。暖气团在夏季从南半球上升并被带到北极,在那里它们冷却下来并返回到较低海拔的南半球。循环方向大约每 14.5 年改变一次。对流过程模型:卫星大气中有两个主要的对流过程——所谓的开尔文波的作用(由介质层之间的开尔文-亥姆霍兹不稳定性引起)和来自北半球的全球斜流到南部。

气候

就像在地球上一样,泰坦有季节更替。随着土星及其卫星围绕太阳运行,土卫六上的季节逐渐相互替换。泰坦的表面温度平均为-180°C。由于大气稠密且不透明,两极与赤道的温差仅为3度。如此低的温度和高压抵消了水冰的融化,导致大气中几乎没有水。高浓度的大气中含有大量甲烷;它应该会导致温室效应,从而导致卫星温度升高。然而,由有机分子组成的橙色雾在整个低层大气中广泛分布,能很好地吸收太阳辐射并透射来自表面的红外线。这会导致反温室效应并使表面冷却约 10 度。

多云和降水

甲烷在几十公里的高度凝结成云。根据惠更斯获得的数据,甲烷的相对湿度从地表的 45% 增加到海拔 8 公里处的 100%(而甲烷总量反而减少)。在 8-16 公里的高度,有一层非常薄的云层,由液态甲烷和氮的混合物组成,覆盖了卫星表面的一半。细雨不断从这些云层落到地表,并通过蒸发进行补偿。 2006 年 9 月,卡西尼号在泰坦北极上空 40 公里处记录到一个巨大的云。虽然已知甲烷会形成云,但在这种情况下,这种形成很可能由乙烷组成,因为固定粒子的大小只有 1-3 微米,而乙烷能够在这个高度凝结。12 月,“卡西尼”号再次在极地上空发现云层,在该成分中发现了甲烷、乙烷和另一种有机化合物。云的直径达到了 2400 公里,并且在一个月后的下一次飞行中也被观测到。科学家认为,此时甲烷-乙烷雨或雪正在降落在卫星杆上(如果温度足够低);北纬地区的下沉气流足以引起降水。此外,在南半球记录了云。通常它们覆盖的表面不超过 1%,尽管这个值有时会达到 8%。半球云层面积的这种差异是由于观测时南半球正值夏季,大气质量强烈加热,出现上升流,结果,对流。在这些条件下,虽然乙烷湿度达到 100%,但乙烷无法形成永久的云层。从 2010 年 9 月到 10 月,科学家们分析了卡西尼号的照片并得出结论,卫星的赤道也在下雨。这可以通过特征性的崎岖不平来证明,这种崎岖是由于河流流动而表现出来的。观测表明,云层的高度和一致性取决于纬度。因此,在冬季,在半球的高纬度地区(从 60° 及以上),永久性云层广泛分布,形成于对流层之上。在低纬度地区,云层高度在15-18公里,体积小,变化多端。在夏季半球,云主要在纬度 40° 附近形成,通常是短暂的。地面观测还显示云量的季节性变化。因此,在围绕太阳的 30 年公转中,连同土卫六上的土星,云在每个半球形成 25 年,然后在 4-5 年内消失,然后重新出现。

表面

卡西尼号在不同光谱范围内拍摄到的土卫六表面,在低纬度被划分为若干明暗区,边界清晰。在领先半球的赤道地区,有一个澳大利亚大小的明亮区域(在哈勃望远镜的红外图像中也可见)。它被命名为世外桃源。 2006 年 4 月拍摄的雷达图像显示了 1 公里以上的山脉、山谷、从山上流下的河床和暗点(充满或干涸的湖泊)。山峰的强烈侵蚀是明显的,季节性暴雨期间的液态甲烷流动可能会在山坡上形成洞穴。世外桃源的东南方是神秘的 Hotei Arcus 地层,它是一个明亮的(尤其是在某些波长下)弧形。这种结构是“热”火山区还是某种物质(例如二氧化碳冰)的沉积尚不清楚。在阿迪里的赤道光区,已经发现了高达数百米的山脉(或丘陵)的延伸链。据推测,南半球可能存在长约150公里、高度可达1.6公里的巨大山脉。在密斯林山脉中发现了一座海拔 3337 米的山峰。山顶有浅色沉积物——可能是甲烷和其他有机物质的沉积物。所有这些都证明了形成泰坦表面的构造过程。一般来说,泰坦的地势相对平坦——海拔变化不超过2公里,但是,惠更斯获得的雷达数据和立体图像显示,局部高程差异可能非常显着;陡峭的斜坡在泰坦上并不少见。这是强风和液体侵蚀的结果。泰坦上的撞击坑很少(截至 2012 年,准确识别了 7 个,推测为 52 个)。这是因为它们相对较快地被降水隐藏并被风蚀平滑。泰坦在温带地区的表面对比较小。泰坦表面的一些特征被认为是冰火山起源的。这些主要是与相邻的 Sotra Pater 和 Mohini Stream、Mount Erebor 和 Hotei 地区的类似溪流的物体的 Mount Dum。它们相对较快地被降水隐藏并被风蚀平滑。泰坦在温带地区的表面对比较小。泰坦表面的一些特征被认为是冰火山起源的。这些主要是与相邻的 Sotra Pater 和 Mohini Stream、Mount Erebor 和 Hotei 地区的类似溪流的物体的 Mount Dum。它们相对较快地被降水隐藏并被风蚀平滑。泰坦在温带地区的表面对比较小。泰坦表面的一些特征被认为是冰火山起源的。这些主要是与相邻的 Sotra Pater 和 Mohini Stream、Mount Erebor 和 Hotei 地区的类似溪流的物体的 Mount Dum。

沙丘

沿着赤道环绕着卫星的黑暗区域与 Xanadu 的大小相似,最初被确定为甲烷海。然而,雷达研究表明,黑暗的赤道地区几乎普遍覆盖着长长的、平行的沙丘,沿着盛行风的方向(从西到东)延伸数百公里——所谓的“猫痕” . 低地的深色是由从大气层上层落下的碳氢化合物“尘埃”颗粒的积累来解释的,这些颗粒被山上的甲烷雨冲走,并被风带到赤道地区。灰尘可以与冰沙混合。

甲烷河流和湖泊

航海者 1 号和航海者 2 号收集的数据表明泰坦表面存在充满液态甲烷的河流和湖泊的可能性,这些数据表明存在具有适当成分的致密大气和维持甲烷在大气中所需的温度。液体状态。 1995 年,来自哈勃望远镜和其他观测的数据使得可以直接证实地表以独立的湖泊甚至海洋的形式存在液态甲烷,就像在地球上一样。 2004 年的卡西尼号任务也证实了这一假设,尽管不是立即。当飞船抵达土星系统时,研究人员希望通过反射阳光来探测液体,但起初并没有探测到眩光。2009 年 7 月,记录了在红外范围内从液体池的光滑表面反射的阳光(耀斑),这是湖泊存在的直接证据。早些时候,在两极附近,卡西尼号雷达显示存在一个非常平坦和/或吸收良好的表面,它代表液态甲烷(或甲烷-乙烷)储层,其存在长期以来一直存在疑问。特别是在 2005 年 6 月,卡西尼号的图像揭示了在南极地区有一个边界非常清晰的黑暗地层,被确定为液态湖。它被命名为安大略湖。 2006 年 7 月拍摄了泰坦北极地区湖泊的清晰雷达图像。南半球高纬度 Mezzoramia 地区的雷达覆盖显示存在发达的河流系统,具有特征性侵蚀痕迹的海岸线,表面目前或最近被液体覆盖。 2007年3月,卡西尼号在北极地区发现了几个巨大的湖泊,其中最大的(海妖海)长达1000公里,面积可与里海相媲美,另一个(丽姬亚海)面积为100,000 平方公里超过任何陆地淡水湖。 2012 年 6 月,天文学家通过研究卡西尼号从 2004 年到 2008 年拍摄的图像,在泰坦沙漠赤道地区发现了一个 1 米深的甲烷湖。由于在红外线范围内拍摄,可以看到湖泊。它长约60公里,宽约40公里。除了这个湖,还发现了另外四个地层,更让人联想到地球上的沼泽。根据卡西尼号数据和计算机计算,湖泊中液体的成分如下:乙烷(76-79%)、丙烷(7-8%)、甲烷(5-10%)。此外,湖泊中含有 2-3% 的氰化氢,以及约 1% 的丁烯、丁烷和乙炔。据其他消息来源称,主要成分是乙烷和甲烷。湖泊中的碳氢化合物储量比地球上石油和天然气的总储量高出数倍。美国宇航局科学家提出,在某些条件下,泰坦湖表面会形成漂浮的浮冰。这种冰必须被气体饱和(超过 5%)才能留在湖面上,而不是沉到底部。大多数湖泊位于北极地区,而在南部几乎不存在。这可以通过季节变化来解释——泰坦上的四个季节中的每一个持续大约 7 个地球年,在此期间,甲烷会在一个半球的水体中变干,并被风带到另一个半球。在惠更斯号探测器在泰坦大气层中下降期间,拍摄到的照片显示,浅浅的山丘和通道穿过它们,流入一个黑暗的区域。 “惠更斯”,显然是在黑暗的区域坐下,原来是坚硬的表面。着陆点土壤的成分类似于湿沙(可能由冰粒与碳氢化合物混合组成)。细雨可以不断滋润土壤。在图像中,可以直接从表面看到圆形的石头(可能是冰)。这种形式可能是由于长时间接触液体而形成的。或许,在惠更斯登陆的赤道地区,甲烷湖只能暂时干涸,在极其罕见的降雨之后形成。

内部构造和地质

钛大约是一半水冰和一半岩石。在组成上,泰坦与其他一些气态行星的大型卫星类似:木卫三、木卫二、卡利斯托、海卫一,但在大气的组成和结构上与它们有很大不同。据计算,泰坦有一个坚固的岩石核心,直径约3400公里,周围环绕着数层水冰。地幔的外层由水冰和甲烷水合物组成,内层由压缩的非常致密的冰组成。这些层之间可能存在一层液态水。像木卫一和土卫二等木星和土星的其他卫星一样,泰坦受到巨大潮汐力的影响,潮汐力在卫星的构造过程中发挥着重要作用。加热其核心并支持火山活动。

假设的地下海洋

许多科学家提出了关于全球地下海洋存在的假设。土星强大的潮汐作用可以加热核心并保持足够高的温度以供液态水存在。 2005 年和 2007 年卡西尼号图像的比较表明,景观细节已经移动了大约 30 公里。由于泰坦总是在一侧转向土星,因此这种转变可以解释为冰壳与卫星的主要质量被全球液体层隔开。假设水中含有大量氨(约 10%),氨对水起到防冻剂的作用,即降低其冰点。结合卫星地壳施加的高压,这可能是地下海洋存在的额外条件。根据数据,2012 年 6 月下旬发表,之前由卡西尼号航天器组装,在泰坦表面下约 100 公里深处,确实应该有一个海洋,由可能含有少量盐分的水组成。根据卡西尼号数据构建的卫星引力图,科学家们认为泰坦地下海洋中的液体具有密度增加和盐度极高的特点。最有可能的是,它是一种盐水,其中含有含有钠、钾和硫的盐。此外,在卫星的不同区域,海洋的深度是不一样的——在一些地方,水结冰,从内部形成覆盖海洋的冰壳,这些地方的液体层几乎没有与泰坦表面交流。地下海洋的强盐度使得生命几乎不可能在其中生存。

冰火山作用

泰坦有明显的火山活动迹象。然而,尽管火山的形状和特性相似,但作用在卫星上的并不是硅酸盐火山,如地球或火星和金星,而是所谓的冰火山,它们很可能是由水喷发的——氨与碳氢化合物的混合物。最初,在放射性物质衰变过程中形成的氩 40 大气中发现后,人们假设火山活动的存在。后来,卡西尼号记录了一个强大的甲烷来源,据信这是一个低温火山。由于尚未在卫星表面发现可以在大气中保持恒定数量的这种物质的甲烷来源,因此现在认为所有甲烷的大部分来自低温火山。除了,2008 年 12 月,天文学家记录了大气中的两个临时光形成,但结果证明它们太持久了,不会被误认为是天气现象。推测这是其中一个冰火山活跃喷发的结果。泰坦和地球上的火山过程是由卫星地幔中放射性元素的衰变引起的。地球上的岩浆由熔岩组成,熔岩的密度低于它们喷发的地壳岩石。在泰坦上,水氨混合物比它喷发到地表的水冰密度大得多,因此需要更多的能量来维持火山活动。这种能量的来源之一是土星对其卫星的强大潮汐效应。将它们误认为是天气现象。推测这是其中一个冰火山活跃喷发的结果。泰坦和地球上的火山过程是由卫星地幔中放射性元素的衰变引起的。地球上的岩浆由熔岩组成,熔岩的密度低于它们喷发的地壳岩石。在泰坦上,水氨混合物比它喷发到地表的水冰密度大得多,因此需要更多的能量来维持火山活动。这种能量的来源之一是土星对其卫星的强大潮汐效应。将它们误认为是天气现象。推测这是其中一个冰火山活跃喷发的结果。泰坦和地球上的火山过程是由卫星地幔中放射性元素的衰变引起的。地球上的岩浆由熔岩组成,熔岩的密度低于它们喷发的地壳岩石。在泰坦上,水氨混合物比它喷发到地表的水冰密度大得多,因此需要更多的能量来维持火山活动。这种能量的来源之一是土星对其卫星的强大潮汐效应。由卫星地幔中放射性元素衰变引起。地球上的岩浆由熔岩组成,熔岩的密度低于它们喷发的地壳岩石。在泰坦上,水氨混合物比它喷发到地表的水冰密度大得多,因此需要更多的能量来维持火山活动。这种能量的来源之一是土星对其卫星的强大潮汐效应。由卫星地幔中放射性元素衰变引起。地球上的岩浆由熔岩组成,熔岩的密度低于它们喷发的地壳岩石。在泰坦上,水氨混合物比它喷发到地表的水冰密度大得多,因此需要更多的能量来维持火山活动。这种能量的来源之一是土星对其卫星的强大潮汐效应。需要更多的能量来维持火山活动。这种能量的来源之一是土星对其卫星的强大潮汐效应。需要更多的能量来维持火山活动。这种能量的来源之一是土星对其卫星的强大潮汐效应。

观察和研究

1979年先驱者11号飞船到达土星轨道并对土星及其卫星进行各种测量之前,对泰坦的观测和研究进展极其缓慢。1907年,西班牙天文学家何塞·科马斯·索拉(Jose Comas Sola)声称观察到泰坦圆盘边缘变暗,中心有两个圆形亮点。杰拉德·柯伊伯 (Gerard Kuiper) 于 1943 年至 1944 年冬天在洛克山麦克唐纳天文台使用连接到 82 英寸(205 厘米)反射望远镜的光谱仪进行的观测,于 1944 年发现了泰坦的大气层。土卫六肉眼不可见,但可以通过业余望远镜或强力双筒望远镜观察到,由于土卫六离土星很近,观察变得困难。该卫星的视星等为+7.9。

先驱者 11 号和航海者号

第一个在泰坦附近飞行的航天器是先驱者 11 号,旨在研究木星和土星。 1979 年 9 月 1 日,该站传输了五张泰坦的图像。根据探测器传输的数据,发现地表温度太低,生命不存在。先驱者 11 号在距离卫星 353,950 公里处通过。由此产生的照片太模糊,无法区分任何细节。航海者一号航天器已经进行了大量研究。 1980 年 11 月 12 日,该站距离泰坦 5600 公里,但由于大气中的雾霾,所获得的图像无法区分任何表面细节。航海者一号只能研究大气成分,确定大小和质量等基本数据,轨道周期也得到了改进。航海者 2 号于 1981 年 8 月 25 日飞越土星系统。由于该装置指向天王星并且在土星上进行了重力机动,因此实际上没有研究泰坦。

哈勃太空望远镜

第一张揭示泰坦表面结构的照片是由哈勃望远镜在 1990 年代拍摄的。红外图像显示了甲烷云和有机烟雾。泰坦表面的暗区和亮区之间的明显对比与太阳系中其他类似大小的卫星截然不同。泰坦上的哈勃没有发现其他卫星常见的陨石坑。假设表面的亮区高于暗区;它们的成分也不同:明亮的区域可能包含水冰,就像在木星的卫星上经常发现的那样,而黑暗的区域则覆盖着岩石或有机物质。

“卡西尼-惠更斯”

1997 年 10 月 15 日,卡西尼-惠更斯号飞船从美国宇航局、欧空局和 ASI 的联合项目卡纳维拉尔角发射升空。它的创建是为了研究土星系统,特别是它的卫星泰坦。卡西尼号是土星的第一颗人造卫星。设备的初始有效期计算为 4 年。卡西尼号自 2004 年 7 月 1 日以来一直围绕土星运行。按照计划,首次飞越泰坦于 2004 年 10 月 26 日,距离地表仅 1200 公里。泰坦是太空探测器着陆的最遥远的天体。卡西尼号的雷达图像显示了泰坦复杂的表面结构。 2006年7月22日至2008年5月28日,卡西尼号在泰坦附近飞行了21次(最短距离仅为950公里),在此期间,获得了证明泰坦上存在甲烷湖的图像。该任务首先延长至 2010 年(另外 21 次泰坦飞行),然后延长至 2017 年(另外 56 次飞行)。该装置于 2017 年 9 月 15 日完成任务,在土星大气中燃烧。

惠更斯探测器的研究

惠更斯号探测器于 2004 年 12 月 25 日与卡西尼号分离,并于 2005 年 1 月 14 日沉入海面。惠更斯号是继月球上的航天器之后,位于地球卫星表面的第二艘人造航天器。惠更斯通过卫星大气层的降落伞下降用了 2 小时 27 分 50 秒。航天器与泰坦表面的碰撞以 16 公里/小时(或 4.4 米/秒)的速度发生,而设备经历了短期过载,比地球重力加速度高 15 倍。在下降过程中,“惠更斯”号对大气进行了采样。在这种情况下,风速(在 9 至 16 公里的高度)约为 26 公里/小时。机载仪器在 18-19 公里的高度检测到密集的甲烷雾(云层),那里的大气压力约为 50 kPa(5.1·103 kgf / m²)或 380 mm Hg。下降开始时的外部温度为-202°C,而泰坦表面的温度略高:-179°C。在下降过程中拍摄的照片显示出复杂的浮雕,带有液体作用的痕迹(河床和明暗区域之间的鲜明对比——“海岸线”)。然而,惠更斯下降的黑暗区域被证明是坚固的。从表面拍摄的图像显示圆形石头最大 15 厘米,带有液体暴露的痕迹(鹅卵石)。在外部麦克风的帮助下,可以记录泰坦上的风声。 2007 年 3 月 14 日,为了纪念欧洲航天局的创始人之一休伯特·库里恩,决定为航天器的着陆点命名。在下降期间制作的,显示出带有液体作用痕迹的复杂浮雕(河床和明暗区域之间的鲜明对比 - “海岸线”)。然而,惠更斯下降的黑暗区域被证明是坚固的。从地表拍摄的图像显示圆形石头最大 15 厘米,带有液体暴露的痕迹(鹅卵石)。在外部麦克风的帮助下,可以记录泰坦上的风声。 2007 年 3 月 14 日,为了纪念欧洲航天局的创始人之一休伯特·库里恩 (Hubert Curien),决定为航天器的着陆点命名。在下降期间制作的,显示出带有液体作用痕迹的复杂浮雕(河床和明暗区域之间的鲜明对比 - “海岸线”)。然而,惠更斯下降的黑暗区域被证明是坚固的。从地表拍摄的图像显示圆形石头最大 15 厘米,带有液体暴露的痕迹(鹅卵石)。在外部麦克风的帮助下,可以记录泰坦上的风声。 2007 年 3 月 14 日,为了纪念欧洲航天局的创始人之一休伯特·库里恩 (Hubert Curien),决定为航天器的着陆点命名。从表面上可以看到最大 15 厘米的圆形石头,带有液体暴露的痕迹(鹅卵石)。在外部麦克风的帮助下,可以记录泰坦上的风声。 2007 年 3 月 14 日,为了纪念欧洲航天局的创始人之一休伯特·库里恩,决定为航天器的着陆点命名。从表面上可以看到最大 15 厘米的圆形石头,带有暴露于液体(鹅卵石)的痕迹。在外部麦克风的帮助下,可以记录泰坦上的风声。 2007 年 3 月 14 日,为了纪念欧洲航天局的创始人之一休伯特·库里恩 (Hubert Curien),决定为航天器的着陆点命名。

计划任务

作为美国宇航局和欧空局研究土星、泰坦和土卫二联合计划的一部分,计划发送泰坦土星系统任务,其中包括:一个轨道站和两个直接用于研究泰坦的探测器。一个探测器是一个气球,将漂浮在云层之间的大气中。正如开发人员所设想的那样,该探测器必须至少在北纬 20° 左右绕整颗卫星飞行一次。 NS。在 10 公里的高度。第二个探测器将不得不溅落到北纬 79° 左右的极地碳氢化合物海中。就像惠更斯一样,这辆车将通过降落伞发射。该探测器将成为地球以外的第一艘漂浮飞船。它的寿命预计为 3 到 6 个月,从穿过大气层下降 6 小时开始。最初,计划于 2010 年启动该任务。然而,2009 年 2 月,美国宇航局和欧空局宣布将探索木星系统的任务列为优先任务,发射日期被推迟到 2020 年代左右。包括 NASA 行星科学家 Amanda R. Hendrix 在内的某些科学家认为,在太阳系内建立殖民地的唯一选择实际上不是月球或火星,而是土星最大的卫星泰坦。 2034年的拉区。然后该装置将飞向 Selk 陨石坑,那里过去可能有液态水。并且发布日期已经推迟到 2020 年代左右。包括 NASA 行星科学家 Amanda R. Hendrix 在内的某些科学家认为,在太阳系内建立殖民地的唯一选择实际上不是月球或火星,而是土星最大的卫星泰坦。 2034年的拉区。然后该装置将飞向 Selk 陨石坑,那里过去可能有液态水。并且发布日期已经推迟到 2020 年代左右。包括 NASA 行星科学家 Amanda R. Hendrix 在内的某些科学家认为,在太阳系内建立殖民地的唯一选择实际上不是月球或火星,而是土星最大的卫星泰坦。 2034年的拉区。然后该装置将飞向 Selk 陨石坑,那里过去可能有液态水。而土星最大的卫星是土卫六,计划于2026年将蜻蜓号飞船送往土卫六,2034年登陆香格里拉地区。然后该装置将飞向 Selk 陨石坑,那里过去可能有液态水。而土星最大的卫星是土卫六,计划于2026年将蜻蜓号飞船送往土卫六,2034年登陆香格里拉地区。然后该装置将飞向 Selk 陨石坑,那里过去可能有液态水。

生命存在的可能性

由于土星及其卫星位于宜居带之外,高度组织化的生命(类似于地球)的出现在假设上是不可能的,但科学家们并不排除最简单的生物出现的可能性。尽管温度很低,但土卫六上有足够的条件开始化学演化。浓密的氮气氛和有机化合物的存在是外生物学家研究的一个有趣的对象,因为类似的条件可能存在于年轻的地球上。然而,与地球不同,过低的温度阻碍了益生元的发展方向。佛罗里达大学的斯蒂芬·本纳 (Stephen Benner) 认为,生命可以在液态碳氢化合物的湖泊中形成。乙烷或甲烷可用作生物体生物过程中的溶剂。而且,这些物质的化学侵蚀性远低于水。因此,大分子如蛋白质和核酸可以更稳定。因此,在 2010 年 6 月 5 日,美国宇航局的一组科学家发表声明说,他们发现了土卫六上可能存在最简单生命形式的迹象。这些结论是基于对“卡西尼号”探测器获得的数据进行分析得出的——研究卫星表面氢的异常行为,天体生物学家克里斯·麦凯和约翰·扎内基教授提出了关于原始生物“呼吸”的假说。生物体,代表地球上不同形式的生命,其中使用甲烷和氢气代替水和氧气。根据这个假设,生物体可以吸收氢气并以乙炔分子为食,同时,在它们的生命活动过程中,会形成甲烷。结果,泰坦上将缺乏乙炔,并且表面附近的氢含量会减少。卡西尼号光谱仪进行的红外测量没有发现乙炔存在的任何痕迹,尽管乙炔应该是在太阳紫外线辐射的影响下在泰坦非常强大的大气层中形成的。间接结果表明泰坦表面附近的氢也在消失。麦凯本人在评论为《新科学家》杂志获得的结果时指出,它们“非常不寻常,迄今为止化学上无法解释”。 “当然,这不是生命存在的证据,但非常有趣,”这位科学家补充道。尽管如此,科学家们并不排除“卡西尼”号的新数据可能是一个完全不同的解释。在遥远的未来,泰坦上的条件可能会发生重大变化。 60亿年后,太阳的体积将显着增大并成为一颗红巨星,卫星表面的温度将升至-70°C,足以存在由水和氨混合而成的液态海洋。这样的条件会存在数亿年,这对于相对复杂的生命形式的发展来说已经足够了。

也可以看看

钛表面零件清单 钛上的流体

注释(编辑)

文学

Silkin B.I. 在一个多月的世界里。- M .: Nauka, 1982 .-- 208 页 - 150,000 份

链接

来自“科学与生活”杂志的文章“远征”惠更斯“到土星的卫星泰坦” 关于泰坦的文章 来自“木星和土星系统”一书中关于泰坦的章节。大型卫星的形成、组成和内部结构”G. Burba。世界的爆发(未指明)。环游世界(2006 年 5 月)。 G. 布尔巴。泰坦黑海(未指明)。环游世界(2008 年 11 月)。泰坦赤道附近的云层可以解释其表面存在河床(身份不明)(无法访问的链接)。 2010 年 5 月 22 日存档。卡西尼号成像操作中心实验室(2005 年)。 CICLOPS:卡西尼成像(未指定)(链接不可用)。 2006 年 4 月 3 日存档。欧洲航天局(2005 年)。 ESA - Cassini-Huygens Gangale, Thomas (2002)。泰坦的达里安日历(未指定)(无法访问的链接)。 2007 年 3 月 1 日存档。汉密尔顿,卡尔文 J.(2001 年)。泰坦 - 土星 IV Hammerschlag,迈克尔(2005 年)。云世界:TITAN NASA 任务(2005 年)。美国宇航局 - 卡西尼-惠更斯:与土星的近距离接触佩里,杰森 (2005)。今日泰坦行星协会(2005)。 TPS:土星的卫星泰坦(未开封)(链接无法访问)。 2004 年 6 月 17 日存档。亚利桑那大学月球和行星实验室(2005 年)。月球和行星实验室 卡西尼-惠更斯泰坦号任务的下降成像仪-光谱辐射计(未指定)(无法访问的链接)。 2005 年 3 月 8 日存档。泰坦有油。 Roscosmos 电视演播室的情节亚利桑那大学月球和行星实验室(2005 年)。月球和行星实验室 卡西尼-惠更斯泰坦号任务的下降成像仪-光谱辐射计(未指定)(无法访问的链接)。 2005 年 3 月 8 日存档。泰坦有油。 Roscosmos 电视演播室的情节亚利桑那大学月球和行星实验室(2005 年)。月球和行星实验室 卡西尼-惠更斯泰坦号任务的下降成像仪-光谱辐射计(未指定)(无法访问的链接)。 2005 年 3 月 8 日存档。泰坦有油。 Roscosmos 电视演播室的情节