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土卫六上的海,全是甲烷!
新研究表明,土卫六泰坦上的第二大海——丽姬娅海,“海水”几乎完全由纯甲烷构成,海底覆盖着一层有机物烂泥,海边则被“湿地”所包围。
频道编辑:editor01 时间:2017-04-05

土卫六泰坦北极附近的丽姬娅海,是泰坦上的第二大海。新研究表明,丽姬娅海里的“海水”几乎完全由纯甲烷构成,海底则覆盖着一层富含有机物的烂泥。图片来源:NASA/JPL-Caltech/ASI/Cornell

土星最大的卫星,即土卫六泰坦(Titan),拥有液态碳氢化合物构成的海和湖泊,而且现在天文学家发现,其中一片海完全由甲烷填满,海底则覆盖着一层富含有机物的烂泥,而海边很可能有湿地环绕。

在太阳系里所有的卫星当中,泰坦是唯一一颗拥有浓厚大气,并在表面存有大量液体的卫星。这些特点使得这颗卫星更像是一颗行星,比如地球。

不论是地球还是泰坦,大气中的主要成分都是氮气,在泰坦大气中所占比例超过95%。然而,与地球不同,泰坦大气中几乎没有氧气:剩余的气体主要是甲烷,还有少量氢气,以及微量的其他气体,比如乙烷。

由于距离太阳遥远,泰坦表面温度较低,甲烷和乙烷理论上都能够以液态形式存在于泰坦表面。因此,天文学家早就推测,泰坦上可能存在碳氢化合物构成的湖泊和海洋。2004年,随着国际合作的卡西尼-惠更斯探测器抵达土星,泰坦上的海和湖泊终于现形了。

如今,卡西尼探测器已经发现,泰坦上超过160万平方千米的表面由液体所覆盖,几乎占到泰坦总表面积的2%。

泰坦上有3片较大的海,全都位于北极附近,北半球还有几十个较小的湖泊环绕在海的周围。南半球只发现了一个湖泊。

这些海和湖泊中的液态具体由什么构成,直到不久以前仍然无法确定。如今,一项新的研究分析了卡西尼飞船在2007年到2015年间多次飞掠泰坦时采集的雷达扫描数据,证实这颗卫星上最大的海之一 ——丽姬娅海(Ligeia Mare),主要由液态甲烷构成。

泰坦上的海和湖泊,主要分布在北极附近,由3片海和几十个湖泊构成。图片来源:Centre: NASA/JPL-Caltech/ASI/USGS; left and right: NASA/ESA. Acknowledgement: T. Cornet, ESA

这项新研究的主要作者、法国凡尔赛大学和法国大气环境监测实验室的艾丽斯·勒加尔(Alice Le Gall)解释说,“我们本来以为,我们会发现丽姬娅海主要由乙烷构成,因为阳光会分解大气中的甲烷分子,从而大量产生乙烷。”

 “结果,这片海几乎完全由纯甲烷构成。”

一些可能的解释可以用来说明这项研究证实的意外结果。

艾丽斯说,“要么是丽姬娅海刚被甲烷雨浇透,要么就是有东西把乙烷从海里清除了。乙烷有可能沉入了海底的地壳之中,也可能通过某种方式流入了相邻的克拉肯海(Kraken Mare),不过这些都需要进一步的研究。”

这些科学家在研究中结合了多项观测中丽姬娅海在某一微波波段发出的热辐射。他们还利用了2013年5月完成的一项雷达探空实验的数据。

在那次雷达探空实验中,卡西尼探测器上的设备检测到了来自海底的雷达回声,并测得了卡西尼飞掠轨迹下方丽姬娅海的深度——这是人类首次探测到地外海洋的海底。科学家惊讶地发现,卡西尼飞掠轨迹沿线,丽姬娅海的最深处可达160米。

有了深度信息,艾丽斯及其同事就能够从观测到的丽姬娅海热辐射中,分离出液态“海水”和海底对热辐射的不同贡献。

艾丽斯补充说,“这表明丽姬娅海的海底很可能覆盖了一层富含有机物的烂泥。”

泰坦大气中生成的大量有机分子,最终会沉降在海底,形成一层烂泥。图片来源:ESA

在泰坦的大气中,氮气和甲烷会发生反应产生大量不同类型的有机分子。科学家相信,这些有机分子中最重的那些会落回到泰坦表面。一旦这些有机分子抵达丽姬娅海,不论是直接从空中掉落下来,还是通过降雨或者河流流入海中,其中一些会溶解在液态甲烷里,而不可溶解的那些,例如腈和苯之类的化合物,就会沉入海底。

这项研究还关注了丽姬娅海从冬季到春季的温度变化。科学家本来以为,就像地球上的海边一样,周边的陆地回暖的速度应该会比丽姬娅海更快。

有趣的是,测量显示海的温度和海岸的温度没有明显的差异,但随着夏季的临近,泰坦北极地区的升温确实发生了延迟。这表明,海和湖泊周边的地形也被液态碳氢化合物浸没,这会改变它们的热属性。

欧洲空间局卡西尼-惠更斯项目科学家尼古拉斯·阿尔托贝利(Nicolas Altobelli)说,“这项研究第一次测定了泰坦上一片海的基本性质,加深了我们对于这顶奇异星球上气候及循环过程的认识。”

这项研究最近发表在《地球物理研究期刊:行星》(Journal of Geophysical Research: Planets)上。(编辑:Steed

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