土衛六湖泊
卡西尼-惠更斯號太空探測器在土星最大的衛星土衛六上探測到了早前猜測的液體乙烷和甲烷湖泊[2]，其中大的被稱為海（maria），小的則被稱為湖（lacūs）[3]。
歷史
根據1977年8月和9月發射的「旅行者1號」和「旅行者2號」太空探測器發回的數據，首次提出了土衛六上可能存在海洋。數據顯示土衛六有一層由大致合適的溫度和成分支持的稠密大氣層。直到1995年，哈伯太空望遠鏡和其他觀測數據才獲得了表明土衛六上存在液態甲烷的直接證據，表面星如棋布地分布著一些大小不一的液體湖泊和海洋，就像地球上的水域一樣[5]。
卡西尼號任務最終證實了以前猜測，儘管並非立刻。當探測器於2004年到達土星系時，人們希望通過液體表面反射的陽光檢測到碳氫化合物湖泊或海洋，但起初並沒觀察到任何鏡面反射[6]。
在土衛六極地區發現液態乙烷和甲烷的可能性仍然存在，在那裡，它們被認為是最豐富和穩定的[7]。在土衛六南極區，第一座被確認的疑似湖泊，是一處名為安大略湖的神秘黑色特徵，可能由所觀測到聚集在該地區的雲團形成的[8]，此外，通過雷達圖像還在極點附近識別出一條可能的海岸線[9]。在2006年7月22日的一次飛越中，卡西尼號探測器上的雷達對正值冬季的北緯地區進行了成像，在北極附近表面看到了許多巨大而光滑的斑塊（雷達圖像上呈現為黑色）[10]。2007年1月，科學家們根據觀測結果宣布「土星衛星土衛六上存在甲烷湖泊的確鑿證據」[7][11]。卡西尼-惠更斯團隊斷定，這些成像的特徵幾乎可以肯定是長期來所尋找的碳氫化合物湖，這是在地球以外第一次發現的地表穩定液體。有些似乎帶有位於低洼地形中的液體河道[7]。一些地區的河道幾乎沒有造成侵蝕，表明土衛六上的侵蝕速度非常緩慢，或者最近的一些其他現象可能已抹除了古老的河床和地貌[12]。總體而言，卡西尼號的雷達觀測表明，土衛六湖泊覆蓋的地表面積極少，而且集中在兩極附近，使得它比地球要乾燥得多[13]，其低層大氣中濕度相對較高的甲烷，主要通過僅占整個表面0.002–0.02%的湖泊蒸發來維持[14]。
2007年2月底的一次飛越過程中，卡西尼號雷達和相機觀測顯示，北極地區分布有幾處大型特徵，被解釋為大面積的甲烷和/或乙烷液體，其中包括面積為12.6萬公里2 （48649英里2）（比地球上最大的淡水湖，密西根－休倫湖略大）的麗姬亞海和另一座克拉肯海，後來證明它的面積是前者的三倍大。2007年10月，卡西尼號在飛越土衛六南極地區時也揭示出了類似的湖面特徵，但面積要小得多[15]。
在2007年12月卡西尼號近距離飛越期間，視覺和測繪儀觀察了土衛六南極地區的安大略湖。該儀器根據材料吸收和反射紅外光的方式識別出不同的化學物質。2009年7月和2010年1月的雷達測量表明，安大略湖非常淺，平均深度為0.4-3.2米（1英尺4英寸-10.5英尺），最大深度為2.9-7.4米（9.5英尺-24.4英尺)[16]，因此，可能類似於地球上的泥灘。相比之下，北半球麗姬亞海的深度則達到170米(557.9英尺) [17]。
湖泊的化學成分和表面粗糙度
根據卡西尼號數據，科學家於2008年2月13日宣布，土衛六極地湖泊中蘊藏的「天然氣和其他液態碳氫化合物數百倍於地球上所有已知的石油和天然氣儲量」；赤道沿線的沙丘雖然沒有暴露的液體，但其有機物含量卻超過了地球上全部的煤炭儲量[18]；據估計，土衛六可見湖泊和海洋中所含石油儲量約為地球上已探明儲量的300倍[19]。2008年6月，卡西尼號可見光和紅外測繪光譜儀毫無疑問地證實了土衛六南半球一座湖泊中存在液態乙烷[20]。目前這些湖泊中確切的碳氫化合物混合成分尚不清楚，但根據計算機模型顯示，平均四分之三的極地湖泊為含有10%甲烷、7%丙烷及少量氰化氫、丁烷、氮和氬氣的乙烷湖[21]。預計苯會像雪一樣飄落並迅速溶解在湖泊中，儘管湖泊可能會飽和，就像地球上飽含鹽分的死海一樣。多餘的苯會在湖岸和湖底堆積成淤泥，最終被乙烷雨侵蝕，形成複雜的洞窟地貌[22]，預計也會形成由氨和乙炔組成的鹽狀化合物[23]。但是，土衛六湖泊的化學成分和物理特性可能會因湖而異（2013年卡西尼號的觀測表明，麗姬亞海充滿甲烷、乙烷和氮氣的三元混合物，因此探測器上的雷達信號能夠探測到液面以下170米（557.9英尺）的海底[24]。
當北方湖泊從冬季黑夜中出現時，卡西尼號最初沒有探測到波浪（計算表明，低於1米每秒（2.2英里/小時）的風速應該會在土衛六乙烷湖中激起可探測到的波浪，但並未觀察到任何波浪），這可能是由於季風風速較低或碳氫化合物凝固所造成。固體甲烷表面（接近熔點）的光學性質與液體表面非常接近，但粘度更大，即使接近熔點也高出液體數個量級，這也解釋了表面異常光滑的原因[25]。固態甲烷的密度比液態大，所以最終會下沉，但由於可能含有大氣中氮氣的氣泡，甲烷冰會漂浮一段時間[26]。接近甲烷冰點（90.4開爾文/華氏-296.95度）溫度時，可能會產生浮冰和冰下沉 - 即液體上方的碳氫化合物冰殼和湖底的碳氫化合物冰塊，預計冰塊在春季開始融化前會再次浮到表面。
自2014年以來，卡西尼號在克拉肯海、麗姬亞海和蓬加海檢測到瞬態特徵。實驗室模擬表明，這些特徵（例如雷達明亮的「魔法島」）[27]可能是湖泊中溶解的氮快速釋放所產生的大片氣泡。據預測，當湖泊變冷而隨後又變暖或當富含甲烷的流體與富含乙烷的流體因暴雨而混合時，就會發生氣泡爆發事件[28][29]。氣泡破裂事件也可能影響了土衛六河流三角洲的形成[29]。另一種解釋是卡西尼號可見光和紅外測繪光譜儀近紅外數據中的瞬態特徵可能由所風驅動，以~0.7米/秒(1.5 mph)流速和~1.5 厘米 (1/2") 高度移動的表面張力波（漣漪）[30][31][32]。後來對卡西尼號可見光和紅外測繪光譜儀數據的分析表明，潮汐流也可能是克拉肯海狹窄海峽(Freta) 中形成持久性波浪的原因[32]。
2017年，預計通過蒸發、降雨以及20米/秒（72公里/小時或45英里/小時）的強風所形成的氣旋最多只在北部大型海區（克拉肯海、麗姬亞海和蓬加海）上空持續了十天左右時間[33]。然而，2017年對2007年至2015年卡西尼號數據的分析表明，這三片海區產生的波浪較小，約只有1厘米（25/64英寸）高和20厘米（8英寸）長。研究結果對將初夏視為土衛六多風季的開始提出了質疑，因為強風應該會產生更大的波浪[34]。2019年的一項理論研究結論是，降落在土衛六湖泊上相對密集的氣膠可能具有液體排斥性，在湖面形成了一層持久的薄膜，從而抑制了波長大於數厘米的波浪形成[35]。
鏡面反射觀測
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2008年12月21日，當卡西尼號從安大略湖上空1900公里（1180英里）處掠過時，雷達觀測到了鏡面反射。信號比預期要強得多，使探測器的接收器曾產生飽和。從反射強度得出的結論是，在僅100米（328英尺）寬的首個菲涅耳反射區上，湖面液位變化不超過3毫米（1/8英寸）（比地球上任何自然乾燥的表面都要平整）。由此推測，該地區在此季節的地面風最小，並/或湖中液體比預期的更粘稠 [36][37]。
2009年7月8日，卡西尼號可見光和紅外測繪光譜儀(VIMS) 在北半球北緯71度、西經337度 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）的液體區域觀察到5微米的紅外光鏡面反射。這被描述為發生在克拉肯海的南部海岸線上[38]，但在雷達-可見光和紅外測繪光譜組合圖上，該位置顯示為一座單獨的湖泊（後命名為鏡泊湖）。這次觀測是在北極地區走出漫長的15年冬夜後不久進行的。由於反射液體位於極地，觀測相位角需要接近180°[39]。
惠更斯探測器的赤道原位觀測
2005年1月14日，惠更斯號探測器在土衛六赤道附近著陸，在此的發現與極地區形成了鮮明的對比，探測器在下降過程中拍攝的圖像顯示沒有出現液體區，但強烈表明最近存在過液體，蒼白的山丘表面布滿縱橫交錯的溢道，流向一處寬闊平坦的黑色區域。起初認為該黑色區域可能是一座由液體或至少是焦油狀物質構成的湖泊，但現在很清楚惠更斯號所降落的黑色區域為沒有任何液體跡象的固體地表。貫入儀研究了探測器所觸及地表的成分，最初報道稱，其表面類似於濕粘土，或像焦糖布丁（即覆蓋著粘性物質的硬殼）。隨後的數據分析表明，這一讀數可能是惠更斯號落地時挪動了一塊大卵石所致。因而，將其描述為冰粒「沙灘」更恰當[40]。探測器著陸後拍攝的圖像顯示，這是一片散布著鵝卵石的平坦平原，鵝卵石可能由水冰形成，圓潤的外形表明曾受到過流體作用[41]。溫度計顯示，惠更斯探測器的熱量消失很快，地面一定變得很潮濕，一幅圖像顯示了滴落在相機鏡頭上的露珠反光。在土衛六上，微弱的陽光每年只能蒸發約1厘米的液體（地球上為1米的水），但在降雨形成前，大氣層可吸納相當於10米（28英尺）的液體（地球上僅為2厘米[25/32英寸]）。因此，預計土衛六的天氣會出現降水量達數米（15-20英寸）的傾盆大雨，並引發暴洪，期間間隔著數十或數百年的乾旱期（而地球上典型的天氣在大多數星期中都會有小雨）[42]。卡西尼號自2004年來只觀測到過一次赤道暴雨，儘管如此，在2012年還是意外發現了許多長期存在的熱帶碳氫化合物湖[43]（包括香格里拉地區惠更斯登陸點附近的一座湖泊，面積約為猶他州大鹽湖的一半，深度至少為1米[3.4英尺]）。與地球上一樣，供源可能來自地下含水層，換言之，土衛六乾旱的赤道地區包含有「綠洲」[44]。
土衛六甲烷循環和地質對湖泊形成的影響
(藝術想像圖)
土衛六大氣環流的振盪模型表明，在一個土星年期間，液體從赤道區被輸送到兩極，在那裡通過降雨回到地面，這可能就是赤道地區相對乾燥的原因[45]。根據計算機模型顯示，土衛六春分和秋分期間，通常無雨的赤道地區會發生強烈的暴雨，有足夠的液體沖刷出惠更斯號發現的那些流道[46]。該模型還預測，來自太陽的能量將會蒸發土衛六表面的液態甲烷，但極地區除外，那裡相對缺乏陽光，使得液態甲烷更容易積聚到永久性湖泊中。該模型顯然也解釋了為何北半球擁有更多的湖泊。由於土星軌道的偏心率，土衛六北方夏季時間比南方更長，因此，北方的雨季時間也更長。
然而，卡西尼號最近的觀測（2013年）表明，地質學也可以解釋湖泊的地理分布和其他地表特徵。土衛六上一個令人費解的特徵是兩極和中緯度地區都沒有撞擊坑，尤其是低海拔地區，這些區域可能是由地下乙烷和甲烷泉形成的濕地[47]。因此，任何由撞擊形成的隕石坑都將很快被潮濕的沉積物淹沒。而地下含水層的存在則可解釋另一個謎團，土衛六大氣層中充滿了甲烷，根據計算，甲烷將與太陽紫外線發生反應，生成液態乙烷。隨著時間的推移，該衛星應已形成了數百米（1500-2500英尺）深的乙烷海洋，而不僅僅只有少數幾座極地湖泊。濕地的存在表明乙烷已滲入到地下，形成一層類似地球上地下水的地下液體層。一種可能是，被稱為籠形複合物的形成改變了進入地下碳氫化合物「含水層」的降雨徑流化學成分。這一過程導致形成會流入進一些河流和湖泊的地下丙烷和乙烷層。地下發生的化學變化會影響土衛六的表面，由地下丙烷或乙烷層泉水補給的湖泊和河流將顯示出相同的成分，而由降雨補給的湖泊和河流則不同，且含有大量的甲烷[48]。
除了3%的土衛六湖泊外，其他所有湖泊都位於北極附近約900×1800公里（559×1118英里）的明亮地形單元內。這裡發現的湖泊具有非常獨特的形狀—圓形複雜的輪廓和陡峭的側面，表明地殼變形產生了可注滿液體的裂縫。現已提出了多種形成解釋機制，從冰火山噴發後的地表崩塌到喀斯特地形，在那裡液體溶解了可溶冰[49]。而邊緣陡峭（高達數百英尺）的較小湖泊（方圓數十英里）則可能類似於火山湖，即隨後被液體注滿的爆炸坑。這些爆炸被認為是由氣候波動引起，氣候波動導致液氮在更冷時期積聚在地殼內，然後在變暖汽化時急驟膨脹而爆炸[50][51][52]。
土衛六海洋探測
泰坦海洋探測器（時間號）是美國宇航局/歐空局提出的一架著陸器，它將濺落在麗姬亞海並分析其表面、海岸線和土衛六大氣層[53]。然而，該計劃在2012年8月被放棄，當時美國宇航局選擇了洞察號火星探測器任務[54]。
命名的湖泊和海洋
標註為「湖」（lacus）的特徵被認為是乙烷/甲烷湖，而標註為「干湖」（lacuna）的特徵被認為是湖床，兩者都是以地球上的湖泊所命名[3]；標註「灣」（sinus）的特徵是湖泊或海洋中的海灣，它們以地球上的海灣和海峽來命名；標有「島嶼」（insula）的特徵是液體區內的島狀物，以神話中的島嶼命名；土衛六上的「海」（大型碳氫化合物海洋）是以世界神話中的海怪命名[3] 。以下列表的最新數據截止2020年[55]。
海洋
| 中文名 | 英文名 | 坐標 | 長度(公里)[note 1] | 面積(公里2) | 命名來源 |
|---|---|---|---|---|---|
| 克拉肯海 | Kraken Mare | 68°00′N 310°00′W / 68.0°N 310.0°W | 1,170 | 400,000 | 挪威海怪克拉肯。 |
| 麗姬亞海 | Ligeia Mare | 79°00′N 248°00′W / 79.0°N 248.0°W | 500 | 126,000 | 希臘神話中的海妖，塞壬之一利革亞。 |
| 蓬加海 | Punga Mare | 85°06′N 339°42′W / 85.1°N 339.7°W | 380 | 40,000 | 毛利人神話中鯊魚、鰩魚和蜥蜴的祖先—蓬加。 |
湖泊
干湖
| 中文名 | 英文名 | 坐標 | 長度(公里)[note 1] | 名稱來源 |
|---|---|---|---|---|
| 阿塔卡馬乾湖 | Atacama Lacuna | 68°12′N 227°36′W / 68.2°N 227.6°W | 35.9 | 智利間歇湖阿塔卡馬鹽沼 |
| 艾爾干湖 | Eyre Lacuna | 72°36′N 225°06′W / 72.6°N 225.1°W | 25.4 | 澳大利亞間歇湖艾爾湖 [56] |
| 吉利特干湖 | Jerid Lacuna | 66°42′N 221°00′W / 66.7°N 221°W | 42.6 | 突尼斯南部內流鹹水湖吉利特鹽湖 |
| 卡奇干湖 | Kutch Lacuna | 88°24′N 217°00′W / 88.4°N 217°W | 175 | 印度-巴基斯坦邊界鹽沼大卡奇沼澤地 |
| 邁勒吉爾干湖 | Melrhir Lacuna | 64°54′N 212°36′W / 64.9°N 212.6°W | 23 | 阿爾及利亞間歇湖邁勒吉爾鹽湖 |
| 納庫魯干湖 | Nakuru Lacuna | 65°49′N 94°00′W / 65.81°N 94°W | 188 | 肯亞納庫魯湖 |
| 恩加米干湖 | Ngami Lacuna | 66°42′N 213°54′W / 66.7°N 213.9°W | 37.2 | 波札那恩加米湖[57]，並且猶如地球上的同名湖一樣，它也被認為是一座內流盆地。 |
| 跑道干湖 | Racetrack Lacuna | 66°06′N 224°54′W / 66.1°N 224.9°W | 9.9 | 美國加利福尼亞州間歇湖—跑道干湖 |
| 烏尤尼干湖 | Uyuni Lacuna | 66°18′N 228°24′W / 66.3°N 228.4°W | 27 | 烏尤尼鹽沼，玻利維亞間歇湖，世界上最大的鹽灘。 |
| 維利科干湖 | Veliko Lacuna | 76°48′S 33°06′W / 76.8°S 33.1°W | 93 | 維利科湖，波士尼亞與赫塞哥維納間歇湖 |
| 沃伊丘加干湖 | Woytchugga Lacuna | 68°53′N 109°00′W / 68.88°N 109.0°W | 449 | 跡象表明它是一座間歇性的「湖泊」，因此在2013年以澳大利亞威爾坎尼亞附近的沃伊丘加湖命名了它[58][59]。 |
峽灣
島嶼
| 中文名 | 英文名 | 坐標 | 所在海洋 | 名稱來源 |
|---|---|---|---|---|
| 百慕達 | Bermoothes Insula | 67°06′N 317°06′W / 67.1°N 317.1°W | 克拉肯海 | 百慕達，莎士比亞《暴風雨》中被施加了法術的島。 |
| 比米尼島 | Bimini Insula | 73°18′N 305°24′W / 73.3°N 305.4°W | 克拉肯海 | 比米尼島，阿拉瓦克人傳說中有青春泉的島嶼。 |
| 巴拉爾庫島 | Bralgu Insula | 76°12′N 251°30′W / 76.2°N 251.5°W | 麗姬亞海 | 巴拉爾庫是雍古族文化中的死亡島及三位創世兄妹的出生地—詹格武爾。 |
| 布揚島 | Buyan Insula | 77°18′N 245°06′W / 77.3°N 245.1°W | 麗姬亞海 | 布揚島，俄羅斯民間傳說中位於波羅的海南岸的一座岩石島嶼。 |
| 哈瓦基島 | Hawaiki Insulae | 84°19′N 327°04′W / 84.32°N 327.07°W | 蓬加海 | 哈瓦基島，當地神話中玻里尼西亞人的故鄉。 |
| 胡法伊德島 | Hufaidh Insulae | 67°00′N 320°18′W / 67°N 320.3°W | 克拉肯海 | 胡法伊德，伊拉克南部沼澤中的傳奇島嶼。 |
| 克羅西利島 | Krocylea Insulae | 69°06′N 302°24′W / 69.1°N 302.4°W | 克拉肯海 | 克羅西利，希臘神話里伊奧尼亞海中靠近伊薩基島的島嶼。 |
| 梅達島 | Mayda Insula | 79°06′N 312°12′W / 79.1°N 312.2°W | 克拉肯海 | 梅達島，傳說中大西洋東北的小島 |
| 淡路島 | Onogoro Insula | 83°17′N 311°42′W / 83.28°N 311.7°W | 蓬加海 | 淡路島，日本神話中的島嶼。 |
| 蓬萊島 | Penglai Insula | 72°12′N 308°42′W / 72.2°N 308.7°W | 克拉肯海 | 蓬萊仙境，中國神話中神仙居住的海上神山。 |
| 敘姆普勒加得斯島 | Planctae Insulae | 77°30′N 251°18′W / 77.5°N 251.3°W | 麗姬亞海 | 敘姆普勒加得斯，博斯普魯斯海峽中的「撞岩」，據說只有阿爾戈號成功地繞過了該磐岩。 |
| 羅伊洛島 | Royllo Insula | 38°18′N 297°12′W / 38.3°N 297.2°W | 克拉肯海 | 羅伊洛，位於大西洋中的傳奇島嶼，靠近安提利亞和聖布蘭丹，接近未知的邊緣。 |
圖集
-
根據卡西尼號成像科學子系統顯示的碳氫化合物湖泊和海洋圖像繪製的土衛六極地區地圖。液態烴體用紅色標出；藍色輪廓線表示在2004-2005年期間出現的液體。 -
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「卡西尼」號拍攝的土衛六北極海域和湖泊近紅外圖像，頂部是麗姬亞海、蓬加海位於它的下面，克拉肯海則在它的右下方。 -
2004年7月至2005年6月期間，土衛六南極區低地平原阿拉基斯平原上出現了一些新的黑色特徵，後被解釋為由2004年10月在該地區觀測到的雲團降水所產生的新液態烴體。 -
土衛六的北極湖泊似乎已經穩定了至少一個土衛六季節（七個地球年）。 -
可見光-近紅外下的土衛六自然色視圖，左上方顯示了它的北極海洋和湖泊。
另請查看
注釋
- ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 The USGS web site gives size as a "diameter", but it is actually the length in the longest dimension.
參考文獻
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外部連結
- 土衛六北極液體區地圖，特徵名稱 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）來自美國地質調查局土衛六系統網頁。 Archive.is的存檔，存檔日期2014-06-21
