教你看懂首张土卫六全球地质图

来源:科普中国发布时间:2019-12-02

下一个十年,去土卫六开无人机! 

    土星最大的卫星,灭霸老家,土卫六泰坦(Titan),是目前太阳系中已知的唯一一颗同时拥有稠密大气层和液态海洋的卫星。 

  从某种程度上来说,它是整个宇宙中目前已知的和我们的地球最相似的星球之一。 

地球、月球、土卫六大小对比,土卫六平均直径约5149公里,是月球的1.5倍。来源:NASA 

    

  土卫六到底长啥样? 

  自1655年惠更斯首次发现土卫六以来的三百多年里,我们几乎不知道土卫六表面的到底是什么样的。 

  近日,NASA喷气动力实验室JPL的行星科学家Rosaly Lopes及其同事们绘制完成了土卫六的首幅全球地质图,为我们打开了土卫六这个神奇新世界的大门,这一成果于20191118日在线发表在《自然·天文》杂志[1]。 

首张土卫六全球地质图。编译自:Nature [2] 

    

  为什么我们用了这么久才知道土卫六表面的细节? 

  为什么说这是第一幅土卫六全球地质图而不是世界地图? 

  如何看懂这幅地质图?这幅地质图告诉了我们什么? 

  …… 

  了解土卫六的表面,为什么这么难? 

  原因很简单,因为土卫六的大气层太厚太稠密,而且对可见光几乎是不透明的。即使是近距离飞掠的探测器,也难以在可见光和红外波段看到土卫六表面的细节。 

  197919801981年,先驱者11号、旅行者1号、旅行者2号先后近距离飞掠了土卫六,只留下了这些被雾霾层包裹、一团模糊的身影。 

三张可见光影像的拍摄距离分别为36万公里、4千公里和230万公里。来源:NASA[3] 

    

  直到驰骋土星系统13年,2017年光荣退役的卡西尼号探测器,才真正为我们揭开了土卫六神秘的面纱。 

  从2004-2017年,不断环绕土星飞行的卡西尼号也127次近距离飞掠了土卫六,获得了大量探测数据。2005年,卡西尼号携带的惠更斯号着陆器更是穿过重重大气,亲身登上了土卫六表面,尽管只工作了一个多小时。 

(左)卡西尼探测器工作假想图。来源:NASA;(右)惠更斯号假想图。来源:ESA / C. Carreau 

    

  当然,在可见光波段合成的照片里,土卫六只是一团朦胧的橙色。如果你是个可怜弱小又无助的凡人,用没有超能力加持的普通肉眼这么近距离看土卫六,看到的也差不多是这个样子。 

卡西尼号成像科学系统(ISS相机)红、绿、蓝波段合成的影像,近乎自然的肉眼观看效果,可以看到土卫六的底层大气是不透明的橙色,而高层大气则是薄而透明的浅蓝色。(左)宽角相机拍摄于2007128日,距离土卫六约19.6万公里,PIA08879;(右)窄角相机拍摄于20051226日,距离土卫六约2.6万公里,PIA08351 

    

  红外波段影像终于可以“穿透”朦胧的霾层,看到一些土卫六的细节了:中低纬度的暗区,高纬度的湖海,尽管是雾里看花,但好歹是能看到了。 

卡西尼号的可见光与红外相机(VIMS)拍摄的土卫六,合成假彩色图像,蓝色代表中心波长1.3微米、绿色代表2微米、红色代表5微米。(左)拍摄于20151113T-114次飞掠,PIA20016;(右)拍摄于2014821日,T104次飞掠,PIA18432 

    

  但要想真正知道土卫六表面的地形地貌细节,还要靠雷达探测。这是卡西尼号获取到土卫六表面细节的终极武器,也是这次Lopes及其同事们绘制土卫六的首幅全球地质图最重要的数据基础。 

  之所以要格外强调“地质图”这几个字,是因为事实上一个星球可以有多种形式的世界地图,它们从不同角度表现了这个星球的全球分布特征。 

  例如,通过筛选某些波段的光,科学家们早在2016年就已经获得了土卫六的全球反照率(也就是亮暗)地图,并为土卫六上许多重要地貌命了名。 

    

卡西尼成像科学系统(ISS相机)选取了中心波长938纳米波段制成的全球反照率地图(全球分辨率大约在4公里/像素)及部分区域命名。来自201487日卡西尼号T100次飞掠土卫六获取的影像。来源:PIA20713PIA19657。 

    

  又例如,通过综合雷达测高等多种数据,科学家们绘制了土卫六全球地形图[4]。地形数据体现的是土卫六的表面相对于高程基准面的高低起伏。  

土卫六全球地形图,参考面为土卫六海水面所在的大地水准面,全球分辨率1°×1° 。来源:[4] 

    

  而这次的全球地质图,则是另一种形式的土卫六世界地图。 

    

  地质图是干啥的?怎么看? 

  简单来说呢,地质图的作用是表现不同类型的地貌在这个星球上的空间分布相对形成年代。当然,受限于观测条件,行星、卫星地质图的要求比地球地质图低很多。在地球地质学家看来,行星、卫星地质图连岩性都无法体现,只能勉强算是张有地质信息的地貌图  

  所以,首先要对土卫六上不同类型的地貌进行分类。 

  分类的参考依据可以有很多:影像、地形、光谱(成分)、交切关系、撞击坑密度等等。但因为土卫六目前的高分辨率数据覆盖率还很有限,所以还必须综合一切可用的低分辨率数据… 

例如高分辨率合成孔径雷达(SAR)数据覆盖率只有46%。来源:NASA 

  这样一“平均”下来,目前这全球地质图就细致不起来了,甚至可以说是还挺糙: 

  全球比例尺只有1:2000 

  

首张土卫六全球地质图。编译自:参考文献[1] 

    

  只分出了6大地质单元 

首张土卫六全球地质图分出的6大地质单元在合成孔径雷达影像中的样子,注意这里的亮暗体现的是不同地貌对雷达信号的反射回波强度,并不是实际的颜色。编译自:参考文献[1] 

    

  撞击坑、山地丘陵、平原和湖海是我们比较熟悉的地貌了,地球上就有挺多。只不过,土卫六的湖海里流动的并不是地球上的液态水,而是液态的碳氢化合物(下面我们都用甲烷代表)。 

土卫六的湖河海,雷达伪彩色图像。来源:NASA 

    

  而沙丘和沟网,尤其是沟网地貌,却不是那么常见的,得格外说一说。 

  土卫六上的沙丘有点儿像地球上的线性沙丘,主要以条状平行延伸的形式出现,大多有1-2公里宽,80-130米高,数百公里长,间隔在1-4公里之间[5, 6]。 

(左)利比亚的线性沙丘(可见光影像)和(右)土卫六的线性沙丘(雷达影像)。来源:参考文献[7] 

    

  土卫六上的沟网地貌则有点儿类似地球上的喀斯特溶蚀地貌,通常地势相对较高,由一些明显被切割和侵蚀的破碎地貌组成,可能是液态甲烷的河流切割、溶解和侵蚀造成了土卫六上这种形似“迷宫”一般的地貌。 

(左)土卫六上的沟网地貌(雷达影像);(右)爪哇岛南部一处叫Gunung Kidul的地方发现的多边形喀斯特地貌,是石灰岩被水溶解侵蚀的结果。来源:NASA[8] 

    

  那这幅地质图告诉了我们什么呢? 

  1 空间分布 

    • 平原是土卫六上最主要的地貌,占了土卫六表面积的65%; 
    • 沙丘和山地丘陵也挺多的,分别占了17%14% ; 
    • 湖海和沟网都只占了1.5%; 
    • 可确认的撞击坑数目少的惊人,只占了总面积的0.4%(表明土卫六表面相当年轻活跃,所以才会侵蚀了大部分撞击坑)。 

  同时,土卫六的这些地质单元表现出了很强的纬度分布: 

    • 沙丘主要集中在赤道地区; 
    • 平原主要集中在中纬地区; 
    • 湖海主要集中在北极; 
    •  沟网主要集中在南极; 
    •  山地丘陵在各个纬度上都有分布。 

编译自:参考文献[1] 

  2时间分布 

  尽管土卫六上撞击坑数目太少,无法通过撞击坑密度来推测不同区域之间的相对年龄,但还是可以通过不同地貌之间的交切关系来做个大致判断(也就是A覆盖或切割了B地貌,说明A地貌更年轻): 

  ?          各个纬度都有分布的山丘最古老; 

  ?          其次古老的是聚集在南极的沟网; 

  ?          再次是主要分布在中纬度的平原; 

  ?          位于赤道的沙丘和位于北极的湖海最年轻,但因为两者的分布没有任何交切,所以判断不了到底哪个更年轻。 

于是我们可以改进一下这张图。改编自参考文献[1] 

    

  3成分分布 

  ?          平原、沙丘、湖海和沟网似乎富含有机物; 

  ?          撞击坑和山地丘陵则有较高含量的水冰物质 

于是我们可以再改进一下这张图。改编自参考文献[1] 

    

  尽管这些发现略显单薄,但依然给了我们许多推测土卫六地质活动和地质历史的线索,但同时也为我们带来了更多未知的谜团: 

    • 最古老、富水冰的山地丘陵或许是土卫六古老壳层的遗迹,构造活动造成的高海拔地势让这里依然可以保存原始富水冰的古老壳层物质。 
    • 富水冰的撞击坑体现的是被撞击挖掘出的地下深部物质,同样表明被有机物覆盖的表面之下,是富含水冰的古老壳层或者水冰+有机物混合的壳层。 
    • 原本地势稍高的沟网地貌则可能是先经过有机沉积物富集,后被降雨溶解侵蚀形成的。 
    • 光谱数据显示,平原的高低纬区域分别发现了和沟网、沙丘相似成分的物质,可能来自风的搬运。 
    • 考虑到土卫六目前仍有风和降雨,最年轻的湖海和沙丘很可能至今仍在形成和变化中。 
    • 从赤道的沙丘到极区的湖海,似乎表明土卫六的气候是极区湿润、赤道干燥的。然而几乎所有的湖海都富集在北极区域,又似乎表明有某种全球性的气候循环使得土卫六只有北极是湿润的,南极仍然很干燥。(比如会不会是因为土星绕太阳的椭圆轨道导致土卫六的北半球有更长的夏天?[2]) 
    • 至于山地丘陵虽然各个纬度上都有分布,但为什么主要集中在赤道的上都区域(Xanadu:土卫六上最大的一块亮区,得名于18世纪英国诗人柯勒律治(Samuel Taylor Coleridge)的诗中所描述的传说中忽必烈的宫殿所在之处),这就还是未解之谜了。 
    •        …… 

    

  虽然这些推测还有太多不确定性,但至少,这些线索告诉我们,如今的土卫六依然是一个地质和气候活跃、充满变化、复杂而迷人的星球。 

    

  若欲求知,唯有探索 

  卡西尼号积累了13年的数据,已经彻底刷新了我们对土卫六的认知。 

  如今的我们已经知道,重重面纱遮盖之下的土卫六,其实是除了地球以外,目前已知的唯一一个表面有着液态甲烷的湖和海,有着甲烷的循环,会下甲烷雨,有着液态物质冲刷过的类似河道一样的痕迹的星球——总之就是把水换成甲烷的话,土卫六的表面和地球非常相似。  

  不止如此,土卫六还是目前太阳系中已知的可能拥有全球性地下液态水海洋的星球之一,和土卫二、木卫二一样,是最有可能孕育生命的热点星球。 

卡西尼号拍摄的丽姬亚海(Ligeia Mare) 来源:NASA 

惠更斯号着陆器拍摄的土卫六表面的“河道”。来源:NASA 

土卫六的甲烷循环。来源:NASA 

    

  小天体撞击、构造活动、河流和风的搬运侵蚀、降雨、湖海、甚至冰火山…这些地质和气候作用,塑造了如今的土卫六。 

  然而,在遥远的距离和厚厚大气层的阻碍之下,如今的我们对土卫六的认识依然是粗糙的。 

  想要揭开更多土卫六的秘密,唯有继续派出探测器使者,以更近的距离、更先进的探测手段,再次造访这颗星球。 

  幸运的是,今年6月,名为蜻蜓Dragonfly)的土卫六无人机探测方案力压名为凯撒CAESAR)的彗星67P采样返回方案,当选NASA新一轮新疆界计划。 

  蜻蜓号将于2026年发射,计划于2034年抵达土卫六,站在巨人卡西尼号的肩膀上,进一步探索土卫六的表面和有机物,探索土卫六可能的生命痕迹。 

蜻蜓号工作假想图。来源:NASA 

    

  相信到那时候,我们一定会对土卫六有更深入的了解。 

  下一个十年,去土卫六开无人机! 

    

    

  参考文献: 

  [1]Lopes, R. M. C., Malaska, M. J., Schoenfeld, A. M., Solomonidou, A., Birch, S. P. D., Florence, M., ... & Turtle, E. P. (2019). A global geomorphologic map of Saturn’s moon Titan. Nature Astronomy, 1-6. 

  [2]Nature | A whole new world: astronomers draw first global map of Titan.https://www.nature.com/articles/d41586-019-03539-8 

  [3]Lopes, R. M., & Solomonidou, A. (2014, November). Planetary geological processes. In AIP Conference Proceedings (Vol. 1632, No. 1, pp. 27-57). AIP. 

  [4]Corlies, P., Hayes, A. G., Birch, S. P. D., Lorenz, R., Stiles, B. W., Kirk, R., ... & Iess, L. (2017). Titan's Topography and Shape at the End of the Cassini Mission. Geophysical Research Letters, 44 (23). 

  [5]Lorenz, R. D., Wall, S., Radebaugh, J., Boubin, G., Reffet, E., Janssen, M., ... & Lunine, J. (2006). The sand seas of Titan: Cassini RADAR observations of longitudinal dunes. Science, 312(5774), 724-727. 

  [6]Neish, C. D., Lorenz, R. D., Kirk, R. L., & Wye, L. C. (2010). Radarclinometry of the sand seas of Africa’s Namibia and Saturn’s moon Titan. Icarus, 208(1), 385-394. 

  [7]Radebaugh, J., Lorenz, R., Farr, T., Paillou, P., Savage, C., & Spencer, C. (2010). Linear dunes on Titan and earth: Initial remote sensing comparisons. Geomorphology, 121(1-2), 122-132. 

  [8]https://solarsystem.nasa.gov/resources/17397/a-titanic-labyrinth/ 

  [9]https://www.nasa.gov/feature/jpl/the-first-global-geologic-map-of-titan-completed 

原标题:首张土卫六全球地质图揭秘

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