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惊涛拍岸土卫六
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Stephen Battersby 文 Shea 编译 |
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这里有甲烷潮汐、冰封的海岸以及太阳系中最怪异的漩涡。 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上上演的真实一幕。除了地球之外，土卫六是已知在其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，以及在几乎一分为二的克拉肯海的中心有一条危险的海峡，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，但土卫六河流中流淌着的却是液态甲烷，而它的山峦和平原则是由水冰组成的。远在“卡西尼”抵达之前，科学家们计算发现，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。 当2005年“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，但绝非希望中的海洋。 在接下去的近十年里，“卡西尼”对土星及其卫星进行了持续地探测，一次又一次地飞掠了土卫六。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给出更清晰的图像，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。  有关湖泊的第一条清晰线索出现在2006年，当时雷达显示在土卫六北半球低洼地点布满了深色的斑块。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，大到足以被认为是海洋了。根据挪威传说中的海怪，它被命名为克拉肯海。从那时起，又发现了另有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们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其被反射回来的时间，就能够勘测出陆地和海洋的高度。 当科学家们第一次查看数据的时候，如预期的只看到了来自海面的单一回波。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。 可以看到海底是一个巨大的惊喜。这是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有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。由于甲烷会快速地从这些海洋中蒸发，行星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。这一次，新的发现出自地球上的实验室。美国宇航局喷气推进实验室的卡尔·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品样本。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所组成的。海斯说：“这让一切都倒向了它这一边。”一定有什么在向北部海域补充如水晶般清澈的甲烷。 对丽姬娅海的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”可能此前就已经看到了海洋。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，直到他一五一十地向我们解释清楚他所得到的结果为止。” 有别的海滩 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，因为其粗糙的表面会把一些雷达波反射回去，而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痕迹——这其实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初步地图。根据这份地图，可以估计出土卫六上海洋的总体积——约70,000立方千米，或相当于地球上探明石油储量的55倍。这一结果假设了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。大体上，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，大多数计划中对土卫六所进行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年起“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”开始更频繁地其对北半球进行观测，以此充分利用照相机的优势。这也为利用雷达来探测器其海洋提供了更多的机会。海斯和洛伦茨等人在今年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。当土卫六在其轨道上运动的时候，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，其南面则是落潮——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。虽然这对于我们来说仅仅是散步的速度，但在土卫六上却非同小可。土卫六表面的重力要比地球的小得多，因此其海洋中的液体也会轻得多。所以，潮水的流动很可能会使得克拉肯海陷入混乱。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世界上最大的漩涡之一。几千米之外就能听到它的声音。 那么克拉肯海也会拥有一个漩涡吗？如果是的话，那将会是一个有趣的巧合，因为根据传说用海怪命名的海洋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。 除了潮汐，土卫六今天的海洋似乎死一般的寂静。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也表明它们很平滑。美国西南研究所的亨特·韦特（Hunter Waite）说：“你可以在其中看到你的脸。”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时，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，但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，其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其海洋十分敏感。土卫六的大气比地球的要稠密得多，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，其浪高会变得增长，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，其风速可以高达每秒20米。他的结论需要假定海洋中充满了——如雷达观测所暗示的——挥发性甲烷。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则更广为接受，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并同时在全球降下几厘米的雨水，但土卫六大气中携带的甲烷却能覆盖其表面好几米深。一个干旱了好几百年的地方，可以在几个小时内大雨瞬间轰然而下。 “卡西尼”在抵达土星后不久便看到了其南半球的云系，当时正值其雨季的末期。洛伦茨说，气候模型预言，北半球的降雨将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。
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[New Scientist 2014年5月24日]
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