首次發現：木衛六泰坦星也有沙塵暴

地球人並不孤獨。

來源 NASA

翻譯 阿金

審校 嚴冰冰

泰坦星沙塵暴藝術創想圖

圖片來源:IPGP/Labex UnivEarthS/University Paris Diderot – C. Epitalon & S. Rodriguez

來自美國國家航空航天局（NASA）「卡西尼號」太空探測器的數據揭示了土衛六「泰坦星」（Titan）赤道地區的巨型沙塵暴。根據9月24日《自然·地球科學》（Nature Geoscience）一篇論文所描述，泰坦星是繼地球和火星之後，太陽系中第三個被觀察到沙塵暴的大天體。

本次觀測幫助科學家深入了解土星最大衛星上迷人而活躍的環境。

「泰坦星是一顆非常『活潑』的衛星。」巴黎狄德羅大學（Université Paris Diderot）的天文學家塞巴司蒂安·羅德里格（Sebastien Rodriguez）說道，他是論文的主要作者。「我們已經了解了泰坦星的地質情況和非同尋常的碳氫循環。現在，我們為其添加上另一個能與地球和火星比肩的景觀：活躍的沙塵循環——沙塵暴捲起赤道附近巨型沙丘地帶的有機塵埃，使之四處擴散。

這段動畫基於2009年到2010年間NASA卡西尼號執行數次巡航任務時使用可見光和紅外線測繪光譜儀（VIMS）捕捉到的畫面，展示了幾個清晰的亮點，作為沙塵暴存在的依據。

來源: NASA/JPL-Caltech/University of Arizona/University ParisDiderot/IPGP/S. Rodriguez et al. 2018

泰坦星是一個奇妙的星球，在某些方面與地球極為相似。事實上，它是太陽系中唯一擁有大氣層的衛星，也是唯一除了地球之外已知表面仍存在穩定液體的天體。

但是，兩者之間還是有一個巨大的差異：在地球上，河流、湖泊和海洋裡面都是水，而在泰坦星上，流動於其中的則主要是甲烷和乙烷。在這個獨特的循環中，碳氫分子蒸發升空，凝結成雲，再以雨的形式回歸大地。

和地球一樣，泰坦星上的天氣也隨季節而變化。尤其是在春分、秋分前後，太陽直射其赤道，大量的雲在熱帶地區形成，產生強大的甲烷風暴。卡西尼在巡航任務中已經觀測到好幾次此類風暴。

上圖是卡西尼號從2009年到2010年間九次巡航任務中拍攝下的圖像，由探測器的可見光和紅外線測繪光譜儀（VIMS）所捕捉到，其中有三張圖片上突現清晰的亮點。

圖片來源:NASA/JPL-Caltech/University of Arizona/University Paris Diderot/IPGP/S.Rodriguez et al. 2018

在2009年春分附近拍下的紅外線照片中，羅德里格團隊第一次發現三個異常的赤道亮點，他們之前以為這可能是普通的甲烷雲，然而，經過調查，他們發現這是完全不同的東西。

「就我們已知的泰坦星星雲形成過程來說，這樣的甲烷雲，理論上是不可能在一年中的這個時候出現在這個地區的。」羅德里格回憶說，「這個時候能夠出現在那裡的對流甲烷雲應該包含巨大的液滴，還必須出現在極高的地方，要遠遠高於模型中預估亮點所在的10千米高度。」

研究人員還成功確認了這些亮點不是泰坦星表面的冰凍甲烷雨或者冰凍熔岩，因為這些地表位點應該有不同的化學特性，且可見時間段應遠長於研究中亮點所持續的11小時到5周時間。

此外，模型確定這些亮點反應一定來自大氣，卻非常接近地表——極可能形成非常稀薄、由微小有機顆粒組成的薄層。因為它們正好覆蓋在泰坦星赤道沙丘地帶上方，剩下的唯一解釋就是這些點其實是從沙丘升起來的塵埃雲。

陽光與甲烷發生相互作用會形成有機分子，當有機分子不斷擴大，掉落至地表，最終就形成了有機沙塵。羅德里格說，雖然這是有史以來第一次在泰坦星上觀察到沙塵暴，但是這個發現並不讓人意外。

「我們相信，2005年1月降落在泰坦星表面的『惠更斯號』探測器（Huygens Probe）因其強力的空氣動力學尾跡，在著陸時揚起了一小陣有機沙塵暴。」羅德里格講述道，「但是這次卡西尼號標記出的那些亮點規模更大。能夠颳起如此大量沙塵的近地表風的風速應該是非常高的，可能要比惠更斯號和氣候模型所預估的近地表平均風速高出近5倍。」

這樣的強風也能造成下層砂礫的移動，那麼覆蓋泰坦星赤道區域的巨型沙丘可能仍處於活躍狀態，仍在不斷變化。

大風夾帶著來自沙丘的沙塵，跨越很長的距離，助力於泰坦星上的全球有機沙塵循環，引起和地球、火星上如出一轍的現象。

上述觀測結果來自卡西尼號的可見光和紅外線光測繪光譜儀。「卡西尼—惠更斯」計劃是NASA，ESA（歐洲航天局）和義大利航天局的聯合項目，由NASA華盛頓總部科學任務理事會負責，由加州理工管理的NASA噴氣推進實驗室（JPL）執行。JPL設計、研發並組裝了卡西尼探測器，其雷達儀器由JPL、義大利太空署，聯合來自美國和歐洲數國的其他團隊成員共同建造而成。卡西尼號已於2017年9月15日結束任務，墜入土星自毀。

論文信息

【標題】 Observational evidence for active dust storms on Titan at equinox

【作者】 S. Rodriguez, S. Le Mouélic, J. W. Barnes, et al.

【期刊】 Nature Geoscience

【發表日期】 2018.09.24

【摘要】

Saturn』smoon Titan has a dense nitrogen-rich atmosphere, with methane as its primaryvolatile. Titan』s atmosphere experiences an active chemistry that produces ahaze of organic aerosols that settle to the surface and a dynamic climate inwhich hydrocarbons are cycled between clouds, rain and seas. Titan displaysparticularly energetic meteorology at equinox in equatorial regions, includingsporadic and large methane storms. In 2009 and 2010, near Titan』s northernspring equinox, the Cassini spacecraft observed three distinctive andshort-lived spectral brightenings close to the equator. Here, we show fromanalyses of Cassini spectral data, radiative transfer modelling and atmosphericsimulations that the brightenings originate in the atmosphere and areconsistent with formation from dust storms composed of micrometre-sized solidorganic particles mobilized from underlying dune fields. Although the Huygenslander found evidence that dust can be kicked up locally from Titan』s surface,our findings suggest that dust can be suspended in Titan』s atmosphere at muchlarger spatial scale. Mobilization of dust and injection into the atmospherewould require dry conditions and unusually strong near-surface winds (aboutfive times more than estimated ambient winds). Such strong winds are expectedto occur in downbursts during rare equinoctial methane storms—consistent withthe timing of the observed brightenings. Our findings imply that Titan—likeEarth and Mars—has an active dust cycle, which suggests that Titan』s dunefields are actively evolving by aeolian processes.

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