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太陽系中的大部分行星都帶有某種大氣層，許多行星具有動(dòng)態(tài)大氣系統(tǒng)。但在太陽系中只有一顆衛(wèi)星——土星的大型衛(wèi)星土衛(wèi)六即泰坦——是有大氣層的。

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從2004年到2017年，卡西尼號宇宙飛船在環(huán)繞地球的軌道上給我們提供了土星及其光環(huán)與衛(wèi)星的生動(dòng)圖像，這張照片拍攝到了土星光環(huán)前的泰坦。這顆衛(wèi)星朦朧的大氣層使它看起來像一個(gè)模糊的球，與土星銳利的光環(huán)形成了鮮明的對比。圖片來自NASA/ JPL-加州理工學(xué)院 / 空間科學(xué)研究所

泰坦是土星最大的衛(wèi)星，土星是太陽系外的第七顆行星。它也是太陽系中唯一已知有一層薄薄的大氣的衛(wèi)星，也是除了地球之外，唯一一顆表面有穩(wěn)定液體的天體。泰坦有一種類似于地球的水文循環(huán)，液體從天上落下，流過衛(wèi)星表面再蒸發(fā)回云層。我們對泰坦上的一些天氣現(xiàn)象是很熟悉的，包括沙層暴和季風(fēng)性降雨。地球大氣層的78％是氮；泰坦的大氣層氮含量則達(dá)到了98％。泰坦的氣候受季節(jié)變化的影響。所以可以看到在某些方面，與泰坦大氣層比較起來最為相似的，是我們最了解的地球大氣層。

但地球與這顆遙遠(yuǎn)的土星衛(wèi)星之間也存在著很多不同，表明我們在泰坦上感受到的天氣會(huì)是多么的陌生和古怪。

泰坦距離太陽比日地距離遠(yuǎn)10倍，接收到的太陽能比地球少10倍。它的軌道大致沿著土星的赤道，繞日旋轉(zhuǎn)傾斜角與土星大致相同。正如地球，土星和泰坦上的季節(jié)也由它們的傾斜角形成，這導(dǎo)致了在土星一年中，太陽對木星和泰坦不同半球的影響不同。土星29年環(huán)繞太陽一圈；因此，土星的一年相當(dāng)與29個(gè)地球年，而土星和泰坦的一個(gè)季節(jié)持續(xù)了超過7個(gè)地球年。

所以泰坦上任何的天氣變化都比地球上慢得多。

泰坦的春分（即當(dāng)這個(gè)衛(wèi)星的兩個(gè)半球接收到的太陽輻射相等）每15年出現(xiàn)一次。泰坦上一個(gè)春分是在2009年。多虧了卡西尼號在圖形上的探索，它在2004年到達(dá)土星，運(yùn)行直到2017年，我們才能在2008年見證強(qiáng)烈的風(fēng)暴越過泰坦，產(chǎn)生像雨一樣落下的煙塵，在泰坦的表面上形成了沙丘的壯觀場面。

大體上，現(xiàn)在認(rèn)為，泰坦的風(fēng)，花費(fèi)一些年份反向變化（類似冬季變更到夏季）之前，每隔12地球年，點(diǎn)對點(diǎn)流動(dòng)循環(huán)。

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這段動(dòng)畫基于卡西尼號的視覺和紅外測繪光譜儀在2009年和2010年幾次飛越泰坦時(shí)拍攝的圖像。這顯示泰坦的赤道附近出現(xiàn)了清晰的亮點(diǎn)，科學(xué)家們將其解釋為沙塵暴。這些明亮的光只在很短的時(shí)間內(nèi)可見（從11小時(shí)到5個(gè)地球周），而且在這段時(shí)間之前或之后的圖像中都不可見。圖片來自歐洲航天局/美國宇航局/ JPL -加州理工學(xué)院/亞利桑那大學(xué)。

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堆積在沙丘上的煙塵揭示了土衛(wèi)六表面風(fēng)的模式。圖片來自美國宇航局/ JPL -加州理工學(xué)院/ASI/巴黎大學(xué)。

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泰坦的冬至也是每15年一次。最近一次是在2017年，為泰坦的北半球帶來了最漫長的夏季，為南半球帶來了最短暫的冬季。美國宇航局為卡西尼號的第二次擴(kuò)展任務(wù)制定的目標(biāo)是讓它在軌道上一直運(yùn)行直到冬至，也就是2017年的5月，同時(shí)觀察土星系統(tǒng)的季節(jié)變化。事實(shí)上，卡西尼的冬至任務(wù)就是卡西尼第二次擴(kuò)展任務(wù)的名稱，2017年9月，隨著卡西尼號戲劇性地墜入土星的大氣層而結(jié)束。

這就是為何我們知道這么多泰坦上季節(jié)和天氣的信息！

多虧了卡西尼號，我們了解到泰坦的云層主要由甲烷和乙烷組成，它們都是碳?xì)浠衔?。不僅泰坦的云層是由甲烷組成，泰坦表面的湖泊也由甲烷組成。科學(xué)家們相信低溫火山(冰火山)噴發(fā)并將甲烷排放到泰坦的大氣中，然后這些甲烷就會(huì)隨著雨水從大氣表面傾瀉而下，形成湖泊。

液態(tài)甲烷是泰坦天氣和地表侵蝕背后的主導(dǎo)力量。在卡西尼號執(zhí)行任務(wù)時(shí)，科學(xué)家們看到了泰坦湖泊表面的漣漪和波浪，這表明泰坦的夏天風(fēng)可能會(huì)更大。因?yàn)樘┨沟馁|(zhì)量比地球小，重力比地球弱，所以泰坦湖泊的浪潮會(huì)比地球上的浪潮高七倍，而速度慢三倍！

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這張近紅外彩色圖像顯示了土衛(wèi)六上的一個(gè)烴湖的反射。亮白色區(qū)域是湖面上的閃光。圖片上的粉色是薄霧在湖面反射作用下的結(jié)果。在反射上方更模糊一點(diǎn)的粉色被用來表明這是在土衛(wèi)六上看到的一個(gè)波浪。因此，第一個(gè)海洋表面的波浪在地球外被發(fā)現(xiàn)。圖片由NASA、加州理工學(xué)院噴氣式推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、亞利桑那大學(xué)、愛達(dá)荷大學(xué)提供。

泰坦上降雨時(shí)，似乎在地表產(chǎn)生一種類似于季風(fēng)的影響，傾盆大雨形成沖積扇。沖積扇是由水流甚至是冰川沉淀下來的沉積物構(gòu)成的，大致呈三角形地貌。我們可以在泰坦、地球和火星上看到這些地貌特征。

然而泰坦上的傾盆大雨非常罕見。在泰坦上一年僅出現(xiàn)一次，相當(dāng)于地球年的29年出現(xiàn)一次。

在2016年，卡西尼號拍攝到了覆蓋4.6萬平方英里（12萬平方公里）的閃光點(diǎn)，這在之前和后續(xù)的照片中都沒有出現(xiàn)過。卡西尼號似乎捕捉到了剛剛落下并流入附近的海妖湖中的液態(tài)甲烷雨水。這片湖是卡西尼號在2008年發(fā)現(xiàn)的，它是泰坦上最大的表面液體。

泰坦大氣的一個(gè)獨(dú)特特征是，結(jié)合了雨滴和陽光，它應(yīng)該偶爾會(huì)出現(xiàn)彩虹。因?yàn)樘┨股系挠甑问怯杉淄闃?gòu)成的，而液態(tài)甲烷的折射率與水不同，所以彩虹會(huì)比我們在地球上看到的更大。由于泰坦的濃霧，陽光很難穿透大氣層；然而，另一種彩虹實(shí)際上更常見：紅外線彩虹。

泰坦上的大氣層在紅外波長下基本清晰可見（這就是為什么卡西尼號可以很容易地通過它的紅外攝像機(jī)看到土衛(wèi)六的表面特征）。泰坦的造訪者們可以用夜視鏡看到這些紅外彩虹。

在卡西尼號之前，我們對泰坦的觀測只顯示了它朦朧的大氣層，掩蓋了它的表面和地面上任何可能的活動(dòng)。這個(gè)任務(wù)不僅在分析其元素和相互作用時(shí)剝離了這一層大氣，而且還向我們展示了大氣對這顆衛(wèi)星表面的影響。

結(jié)論:土衛(wèi)六是太陽系中唯一一顆有厚厚的大氣層的衛(wèi)星。它和地球一樣有四季，而且它的循環(huán)與地球的水循環(huán)也相似。

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作者：Kelly Whitt

FY：Astronomical volunteer team

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