靜電作用揭示土衛六沙丘成因

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靜電作用揭示土衛六沙丘成因

科幻畫家Manjik筆下的土衛六表面

土衛六（又稱為泰坦星）是木星最大的一顆衛星，也是太陽系唯一一顆擁有大氣層的衛星，近年來被證實其兩極地區分布著由「大氣降水」所形成的大量液態湖泊河流（主要成分為甲烷和乙烷），甲烷在生命起源中扮演著重要角色，因此，更好地了解土衛六可以幫助我們還原地球生命起源的過程和進一步開展地外生命探索工作。

土衛六大氣層和表面湖泊的太空紅外影像

由於土衛六和早期地球的高度相似性，科學家對與這顆遙遠衛星的探索從未停止，NASA卡西尼土星探測器自2004年第一次飛越土衛六開始，就不斷發回所測得的科學數據，次年1月，其自帶的惠更斯子探測器在土衛六表面著陸，向地面觀測站傳回幾百張衛星表面圖片，從而使科學家能夠不斷地發現這顆衛星的種種地球物理學現象並提出相應的假說。其中最具爭議的便是關於其表面巨大沙丘的成因，土衛六表面分布著約1000萬平方公里的沙漠，大部分是由近百米高，約兩公里寬的巨型沙丘構成。這些沙丘集中分布在衛星的赤道區域，和地球主要由硅質礦物組成的沙丘不同，土衛六表面的沙粒是固態碳氫化合物。

位於土衛六50° W, 10° N 沙丘群（2006年9月卡西尼雷達成像）

100° W，10 °N 沙丘群（2005年2月卡西尼雷達成像）

對於其成因，學術界目前普遍接受的解釋為：赤道乾旱的氣候有利於風力對沙粒的搬運和沉積，提高沙丘形成的可能性，而隨著緯度的升高，土壤濕度隨之提高，使沙粒的移動性下降，所以在土衛六兩極地區很難觀察到沙丘的形成。然而許多科學家對於如此巨大沙丘的動力學穩定性提出質疑並且根據沙丘走向所推測出自西向東的風向與實際觀察到自東向西的風向相矛盾，種種跡象表明關於沙丘形成的原因需要進一步合理的解釋。

近日發表在 Nature Geoscience一篇提為「土衛六表面沙粒的靜電作用及其對於沉積的影響」的文章對沙丘的成因提出了新的觀點。沙粒在受到風力作用移動的同時，由於顆粒間的碰撞和摩擦，使其帶有靜電荷。但相比於地球的硅質礦物而言，土衛六特有的有機態沙粒使靜電作用發生的概率大大增加。論文的第一作者，喬治亞理工大學的Josh Mendez Harper博士開展了相關的論證實驗，首先用萘和聯苯，兩種碳氫化合物，模擬土衛六表面的土壤，把它們裝進一個圓柱體器皿內，然後在乾燥，純氮氣的環境下（土衛六的大氣98%由氮氣構成）轉動器皿20分鐘，測量試驗後的有機顆粒帶電情況。據Harper描述，約有五分之二的顆粒最終黏附在器皿的內壁上，但對硅質沙粒和火山灰，在模擬的地球氣候下，進行相同的實驗，並沒有發現任何的顆粒附著在器皿內。後續試驗證明，在土衛六較小的重力作用下，有機顆粒物所帶的電荷最長能維持數月。該實驗結果表明，有機顆粒之間的靜電作用與土衛六特殊的物理化學環境讓巨型沙丘的形成變為可能。

Harper實驗示意圖

土衛六與地球在是否帶電等不同條件下，移動沙粒所需要的風速與沙粒直徑的關係。

編譯：武瑋光

排版：武瑋光

責任編輯：解仁江

『天文濕刻』 牧夫出品

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