风沙正在改变土卫六的表面

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与卡西尼雷达设备拍摄的这张图片显示两个火山口土卫六:火山口Sinlap(左),这是一个相对新鲜的火山口,depth-to-diameter比率接近我们看到伽倪墨得斯,和Soi(右),一个非常退化的陨石坑,与一个非常小的深度相比类似火山口伽倪墨得斯。这些陨石坑的直径都在80公里左右(约50英里)。这张照片拍摄于2005年2月15日。Soi图像是由2009年5月21日和2006年7月22日的两幅图像拼接而成的。信贷:凯瑟琳Neish / NASA /姓名/ ASI /戈达德宇航中心

数据从美国国家航空航天局卡西尼号这艘宇宙飞船让科学家们首次对土卫六上的天气对其表面的影响进行了定量估计,发现土卫六上的陨石坑比类似大小的陨石坑平均浅数百米木星月球木卫三。

泰坦的兄弟姐妹们一定很嫉妒。虽然大多数的土星土卫六——土星最大的卫星——看起来可能比实际年龄年轻得多,因为它的陨石坑正在被抹去。根据美国国家航空航天局卡西尼号飞船的观测结果,奇异的碳氢化合物沙丘正在缓慢但稳定地填满陨石坑。

“大多数土星卫星——土卫六的兄弟姐妹——在其表面有成千上万个陨石坑。到目前为止,在土卫六上,我们以高分辨率看到的50%的表面中,我们只发现了大约60个陨石坑。”位于马里兰州绿带的美国宇航局戈达德航天飞行中心的卡西尼号雷达小组助理凯瑟琳·内什说,“土卫六上可能还有更多的陨石坑,但从太空看不到它们,因为它们被侵蚀得很厉害。我们通常通过计算陨石坑的数量来估计行星表面的年龄(更多的陨石坑意味着一个更古老的表面)。但如果像溪流侵蚀或流动沙丘这样的过程正在填充它们,那么表面可能比表面看起来更古老。”

“这项研究是首次定量估计土卫六表面的天气变化程度,”内什补充道。

土卫六是太阳系中唯一一颗有厚厚的大气层的卫星,也是除地球外唯一已知的表面有湖泊和海洋的星球。然而,它的表面温度只有零下290度左右华氏的(94开尔文),从土卫六天空降下的雨水不是水,而是液态甲烷和乙烷,它们通常是地球上的气体。

Neish和她的团队通过比较土卫六上的陨石坑和木卫三上的陨石坑发现了这一现象。木卫三是一颗有着水冰外壳的巨大卫星,与土卫六相似,所以两颗卫星上的陨石坑应该有相似的形状。然而,木卫三几乎没有大气,因此没有风或雨侵蚀它的表面。

“我们发现,土卫六上的陨石坑比木卫三上类似大小的陨石坑平均浅几百码(米),这表明土卫六上的一些过程正在填充陨石坑,”Neish说,他是一篇关于这个问题的论文的主要作者这项研究发表在《伊卡洛斯》杂志网络版上

研究小组使用了木卫三上陨石坑的平均深度与直径趋势,这些趋势来自美国宇航局伽利略号飞船的立体图像。根据卡西尼号的雷达仪器所拍摄的图像数据估算出的环形山深度,计算出了土卫六上环形山的趋势。

土卫六的大气主要是氮气和少量甲烷以及其他由氢和碳(碳氢化合物)组成的更复杂的分子。土卫六甲烷的来源仍然是个谜,因为大气中的甲烷会在相对较短的时间内被阳光分解。甲烷分子的碎片在上层大气中重新组合成更复杂的碳氢化合物,形成一层厚厚的、橙色的烟雾,遮住了地表。一些较大的颗粒最终落在表面,在那里它们似乎结合在一起形成了沙子。

“由于这些沙子似乎是由大气中的甲烷产生的,土卫六的大气中的甲烷至少存在了数亿年,才能将陨石坑填满到我们现在看到的水平。”然而,研究人员估计,土卫六目前的甲烷供应应该在数千万年内被阳光分解,因此土卫六要么在过去拥有更多的甲烷,要么以某种方式得到补充。

研究小组成员说,有可能是其他过程填充了土卫六上的陨石坑:例如液体甲烷和乙烷流动的侵蚀。然而,这种类型的风化往往会很快填满火山口,然后随着火山口边缘的磨损和不那么陡峭,就会变得更慢。如果液体侵蚀是填充物的主要原因,那么该团队预计会在土卫六上看到很多部分被填满的陨石坑。“然而,事实并非如此,”Neish说。“相反,我们在各个阶段都能看到陨石坑;有些刚开始填满,有些已经一半了,还有一些几乎已经填满了。这表明了一个类似风沙的过程,它以稳定的速度填充陨石坑和其他特征。”

所有的固体材料在应力作用下会随着时间流动得非常缓慢。这就是所谓的粘性流动,就像有人从新鲜的奶油桶里舀出一勺奶油一样——物质慢慢地流进去,填满了洞,并把表面弄平。随着冰的粘性流动,冰卫星上的陨石坑往往会随着时间的推移而变浅,所以很可能土卫六上的一些浅层陨石坑只是年龄大得多,或者经历了比本研究中在木卫三上同样大小的新陨石坑更高的热流。

然而,据研究小组称,土卫六的地壳大部分是水冰,在土卫六上极低的温度下,冰的流动性应该不足以解释与木卫三陨石坑相比的如此大的深度差异。此外,就像水流侵蚀一样,粘性流造成的变形一开始往往会很快发生,然后随着物质的调整,变形会变得更慢,所以如果土卫六的表面很容易通过粘性流变形,人们就会看到很多部分被填满的陨石坑。

随着卡西尼号在土星及其卫星的多年巡游中飞过土卫六,雷达仪器逐渐绘制出土卫六表面的地图。迄今为止,该仪器已提供了覆盖土卫六大约50%表面的条状数据。该小组测量的陨石坑都在赤道30度以内,这是一个相对干燥的区域在泰坦上。

奈什说:“然而,月球表面和近地表的液体存在也会对陨石坑的形状造成广泛的改变,就像在地球上观察到的那样。”“在泰坦的情况下,液体由碳氢化合物组成,可以是湿沉积物(如在惠更斯着陆点观察到的)或浅海环境(如在南极和北极观察到的湖泊)。在地球上类似环境下形成的陨石坑没有任何明显的表面地形,包括没有凸起的边缘,因为潮湿的沉积物滑入陨石坑。这可能是因为缺少与海洋目标撞击有关的地形,这可能有助于解释在土卫六两极附近观察到的撞击坑相对稀少的原因。如果土卫六的极地地区被液态碳氢化合物饱和,在这些地区形成的陨石坑可能缺乏任何可识别的地形表达。”

研究小组认为这些考虑都是不错的领域进行更多的研究,但到目前为止,基于数据的差异之间的深度陨石坑泰坦和伽倪墨得斯是最好的解释填从风沙,虽然从液体侵蚀和粘性流可能导致修改泰坦的陨石坑。

由美国宇航局喷气推进实验室管理的美国宇航局卡西尼号任务(喷气推进实验室)在加利福尼亚州的帕萨迪纳,由橡树岭联合大学管理的美国宇航局博士后项目资助了这项研究。

卡西尼-惠更斯号任务是美国国家航空航天局、欧洲航天局和意大利航天局ASI的合作项目。JPL是位于帕萨迪纳的加州理工学院的一个分支,为美国宇航局位于华盛顿的科学任务理事会管理这项任务。卡西尼轨道飞行器是在喷气推进实验室设计、开发和组装的。该雷达仪器是由喷气推进实验室和意大利航天局与来自美国和几个欧洲国家的团队成员合作建造的。

图片:凯瑟琳Neish / NASA /姓名/ ASI /戈达德宇航中心

1评论“风沙正在改变土卫六的表面”

  1. 道格拉斯•德怀尔|2018年1月18日上午10:56|回复

    土卫六是地球的一个隐喻,但并不奇怪地相似。

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