如果我們不知道這些影像來自泰坦，我們可能會以為它們是火星或地球的新照片。控制室裡有些人看到了加利福尼亞海岸，有些人看到了法國裡維埃拉，甚至有人說土星最大的衛星看起來像他在圖森的後院。在三個星期裡，“惠更斯”號探測器與“卡西尼”號飛船分離後一直處於休眠狀態，並被送往泰坦。我們這些焦急等待的人們與探測器之間產生了深厚的個人情感聯絡。我們不僅在職業生涯的大部分時間裡致力於這項任務，而且還透過設身處地地思考它在 alien 且很大程度上未知的世界中將如何運作，從而開發了它的系統和儀器。我們想象泰坦可能像外太陽系中相對較大的衛星一樣，例如木星的隕石坑衛星卡里斯托或刻槽衛星蓋尼米德。
因此，在 2005 年 1 月 14 日上午，在德國達姆施塔特的歐洲空間行動中心，這些照片引起了同樣程度的歡呼和困惑。我們誰也沒有想到景觀會如此像地球。當“惠更斯”號藉助降落傘下降時，其 aerial 照片顯示了雨水滋養的溪流切割而成的分支狀河道。它降落在一個最近發生過山洪的潮溼的、佈滿鵝卵石的地點。泰坦的 alien 之處在於它令人毛骨悚然的熟悉感。
現在，五年過去了，我們有時間消化探測器的發現，並將它們放入更大的圖景中，而“卡西尼”號在環繞土星的環形軌道上飛越泰坦 60 多次後，已逐漸拼湊出這個更大的圖景。在大小（大於水星）、活力（比火星更活躍）和大氣層（比地球更稠密）方面，泰坦在任何意義上都是一顆行星。各種各樣的地質過程塑造著它的表面。甲烷扮演著水在地球上所扮演的角色。它從湖泊中蒸發，形成雲，沉澱出來，雕刻山谷，然後流回湖泊。如果大氣中只有一些氧氣，並且溫度不是零下 180 攝氏度，您會在泰坦上感覺像在家裡一樣。
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沙海、甲烷海
在“卡西尼”號之前，我們對泰坦的看法非常片面。當“旅行者”號宇宙飛船在 1980 年和 1981 年飛掠時，它只看到一個籠罩在霧霾中的橙色檯球，而 20 世紀 90 年代中期天文臺所能做到的最好程度也只是一張粗糙的紅外地圖，顯示出模糊的黑暗和明亮區域 [參見 Jonathan I. Lunine 的“土星終於來了！”；大眾科學，2004 年 6 月]。科學家們談論泰坦的表面或其大氣層，就好像一個單一的測量量或描述性短語可以捕捉整個世界一樣。這些概括在新資料的大量湧入下已經變得蒼白無力。我們現在不得不提到低緯度沙海，或夏季北極上空的大氣層，或南部湖區多雲的一天。
泰坦的低緯度地區是崎嶇、明亮的山丘（最著名的是名為世外桃源的廣闊區域）和黑暗的沙海的混合體，沙海曾經被認為是液態海洋。（天文學家總是傾向於將黑暗區域稱為“海洋”，月球月海是最明顯的例子。）高達 100 米的沙丘，如地球上發現的最大的沙丘，綿延數十到數百公里。泰坦上的黑色沙子不是由地球上石英等矽酸鹽礦物製成的，而是由碳氫化合物製成的，看起來很像一堆堆咖啡渣。
在兩極周圍，我們發現了液態碳氫化合物：一些小湖泊位於數十公里寬的陡峭坑窪中；淺灘湖，如安大略湖，略大於其同名的安大略湖；以及像克拉肯海一樣大的海洋，如裡海一樣大。這些湖泊的表面水位似乎隨時間而變化。夾在沙漠般的 tropics 和潮溼的極地地區之間的是非常神秘的中緯度地區，那裡有嚴重侵蝕的景觀和液態流動的證據。
行星科學家在“旅行者”號遭遇後認識到，泰坦可能有一個甲烷迴圈，其中雲、雨和海洋類似於地球上的水文迴圈。這種推測部分基於一個單一的資料點：泰坦的表面溫度接近甲烷的三相點，正如地球的表面溫度接近水的三相點一樣。在這個溫度下，氣體、固體和液體可以共存。這是否意味著這三種物態之間的轉變調節了泰坦的溫度，還是這只是巧合？第一個有力的證據表明這個想法是成立的，可以這麼說，是 20 世紀 90 年代後期地面望遠鏡探測到 transient 雲，這些雲位於甲烷預計會凝結的高度。更好的望遠鏡觀測，然後是“卡西尼”號，能夠看到這些雲的活動，像地球上的積雲一樣向上膨脹，然後隨著雲滴變成雨水而消散。在某些區域，“卡西尼”號觀察到雲層過後表面變暗，這可能表明那裡下過雨。
“卡西尼”號沒有直接觀察到降水，但“惠更斯”號 aerial 照片毫無疑問地表明，泰坦的至少部分景觀是由降雨和液體在表面上的快速流動形成的。探測器的著陸點位於赤道以南約 10 度，在廣闊沙海中間一些明亮的冰山丘的邊緣。影像顯示遠處有幾個長長的沙丘，但著陸點周圍的直接區域更像是一個河床，上面佈滿了圓形的鵝卵石，鵝卵石堆積在沙子上。我們中的一位（洛倫茨，作為一名研究生，大約在硬體到達目的地前 12 年）設計和製造的貫穿儀戳入地面並測量了其機械效能，表明它有點軟但具有內聚力，很像溼沙或粘土。
溫度計表明，熱量從探測器中散發得如此之快，以至於地面一定是潮溼的——就像在海灘上將手指伸入潮溼的沙子中比伸入乾燥的沙子中感覺更冷一樣。最近的研究表明，甲烷蒸汽也可能在“惠更斯”號相機的冷擋板上凝結，並且一張影像顯示了露珠落在相機視野中時反射的光線的獨特圖案——這是外星世界液體的第一張近距離照片。
失控的行星
泰坦對於水文迴圈來說，就像金星對於溫室效應一樣：一個被推向極致的 terrestrial 過程。在地球上，太陽能足以每年蒸發約一米的水。大氣層只能容納幾釐米的水分，然後才會形成雲和降雨，因此 terrestrial 天氣的總體特徵是每隔一兩週下幾釐米的陣雨。
在泰坦上，微弱的陽光每年只能蒸發約一釐米的水。但大氣層可以容納相當於約 10 米液體的水分。因此，泰坦的天氣應該以傾盆大雨為特色，造成山洪暴發，中間穿插著幾個世紀的乾旱。“惠更斯”號著陸點可能是山洪暴發的現場，山洪暴發可能發生在著陸前一個月或一千年前。泰坦的繁榮-蕭條天氣週期是地球上可能因全球變暖而發生的極端版本。隨著我們的低層大氣或對流層變暖，它會容納更多的水分，暴雨和乾旱都會變得更加強烈。
在地球上，tropics 由哈德萊環流主導。暖空氣在赤道上升，當它流向兩極時，會被地球的自轉剪下。在大約緯度 30 度時，空氣下降到地面。由於下沉的空氣乾燥，大多數 terrestrial 沙漠都位於這個緯度。但泰坦旋轉得非常緩慢，每 15 天才旋轉一次，因此相應的環流模式從夏季中緯度一直延伸到冬季極地，總體結果是整個赤道地區都變得乾燥——因此廣泛的沙海集中在赤道上。
雖然冷得多，但泰坦的大氣層具有類似於地球的溫度剖面。對流層因溫室效應而變暖，溫度隨高度下降。在對流層之上是平流層，平流層因吸收太陽輻射而變暖。在地球上，吸收劑是臭氧，而在泰坦上，吸收劑是籠罩世界的 opaque 霧霾——這突顯了泰坦科學的 recurring 主題，熟悉的物理學與不熟悉的物質。
為了分析霧霾，“卡西尼”號在飛掠泰坦時，在約 1000 公里的高度對上層大氣進行了取樣。在“卡西尼”號之前，我們預計霧霾由相對較輕的碳氫化合物分子（如乙烷）組成，原子量為 30。然而，“卡西尼”號探測到大量出乎意料的重有機分子，包括苯、蒽和原子量為 2000 或更大的 macromolecules。這種物質是透過陽光對大氣甲烷的作用形成的。據推測，這種物質最終會凝結成更大的顆粒並沉降到表面，形成沙海，但這種情況是如何發生的還完全不清楚。
全球末日？
除了太陽能驅動的短期水迴圈外，地球還有一個由板塊構造驅動的長期迴圈。它涉及內部和表面之間的水交換。在數億年的時間裡，水從火山熱點和洋中脊的內部釋放出來，並在俯衝帶（地殼板塊碰撞和下沉的區域）被回收進入內部。如果不是因為這個迴圈，水就會在大氣中積聚並最終逸入太空。
泰坦呢？上層大氣中太陽能驅動的光化學反應以如此快的速度產生較重的有機物，以至於它們會在幾百萬年內耗盡大氣和表面上的所有甲烷，除非它得到補充 [參見 Sushil K. Atreya 的“火星和泰坦上的甲烷之謎”，大眾科學，2007 年 5 月]。因此，泰坦一定有地下甲烷儲藏庫，將氣體輸送到大氣中——這Roughly 類似於地球的長期水迴圈。
“卡西尼”號沒有看到火山熱點或板塊構造特徵，但它至少發現了兩個看起來像冷凍火山流的區域，霍泰弧區和圖伊雷吉奧。它們在近紅外光下比泰坦上的任何其他區域都更亮，表明它們的成分明顯不同。有人認為，這種明亮的物質是噴發物中的二氧化碳或氨霜的塗層，但其成分和來源仍然是個謎。地質活動的另一個跡象是幾乎完全沒有撞擊坑，這表明火山活動或類似過程覆蓋了它們。考慮到預期的撞擊率，表面年齡在 2 億到 10 億年之間。
由於泰坦似乎缺乏板塊構造，其內部迴圈可能不會像地球上那樣持續發生，而是斷斷續續地發生。在泰坦歷史的一種 proposed 重建中，內部在三個時期向大氣釋放甲烷：泰坦在 45 億年前形成；岩心中對流在 25 億年前開始；以及冰殼中的對流在過去 10 億年內開始。最近的一次事件將引發全球火山末日，重塑整個表面，很像大約 10 億年前發生在金星上的大災難 [參見 Mark A. Bullock 和 David H. Grinspoon 的“金星上的全球氣候變化”；大眾科學，1999 年 3 月]。在甲烷注入後，表面可能比今天還要潮溼。在這些 intense 事件之間，泰坦在構造上是平靜的，來自內部的甲烷流量充其量只是一點點滴。
除了深層甲烷儲備外，泰坦可能還有一個地下液態水海洋，正如描述其內部演化的數學模型預測的那樣。“惠更斯”號進行的電測量暗示，在地表以下約 45 公里處存在導電層，而水是主要的候選物質。“卡西尼”號雷達測量表明，地殼的旋轉速度快於岩心，就好像液態層充當巨型軸承，使兩者能夠以不同的速度旋轉一樣；然而，最近的重新分析對這一結論提出了質疑。
不幸的是，泰坦的大氣層阻止了“卡西尼”號更接近地表，以尋找土星會在海洋中感應出的 secondary 磁場。這些磁場對於證明木星衛星上存在海洋至關重要 [參見 Robert T. Pappalardo、James W. Head 和 Ronald Greeley 的“木衛二的隱藏海洋”；大眾科學，1999 年 10 月]。當科學家們爭論 secondary 磁場是否仍然可以探測到時，他們已經制定了在未來十年內尋找磁訊號以及泰坦引力場 telltale 扭曲的計劃。
泰坦的冰河時代
除了季節性週期發生的天氣模式和地質時間發生的 атмосферное 補充外，泰坦和地球都經歷了數萬年到數百萬年的 intermediate 時期的氣候變化。正如 19 世紀蘇格蘭科學家詹姆斯·克羅爾首先認識到的，後來又由 20 世紀初塞爾維亞地球物理學家米盧廷·米蘭科維奇完善的，其他行星施加的引力緩慢地改變著地球的傾斜度和軌道，從而改變了太陽加熱的強度，並引起了冰河時代的迴圈。
在泰坦上，南半球的夏季比北半球的夏季更短，但更強烈，因為土星（以及泰坦）繞太陽的軌道是橢圓形的。在南半球仲夏，它離太陽近約 10%。這些不對稱的季節可能會將甲烷和乙烷等 volatile 化合物從南部泵送到北部，而北部現在擁有更多的湖泊和海洋。然而，隨著時間的推移，泰坦的極點和土星橢圓軌道的相對對齊會發生變化。在 30,000 年後，北半球的夏季將更加強烈。北半球的湖泊將乾涸，而南半球將形成新的湖泊。這是泰坦比冰衛星更像 terrestrial 行星的另一種方式。
“卡西尼”號發現的 exotic 而又熟悉的景觀正在促使科學家們以新的方式看待地球。例如，泰坦的線狀沙丘與奈米布沙漠或撒哈拉沙漠的沙丘相似，那裡的沙丘沿著兩個主要風向的平均方向排列。然而，泰坦的大氣模擬難以重現沙丘的方向。這種差異可能表明科學家們沒有完全理解這種沙丘的形成，或者泰坦的風是由模擬中尚未包括的影響控制的。
此外，到目前為止對泰坦湖泊的觀測表明，它們非常平坦，表面沒有波浪，即使較低的重力和更稠密的空氣應該會增加波浪強度。這種平靜對於我們理解風浪產生意味著什麼？泰坦的自轉速度可能會隨著季節而略有變化，因為大氣層和表面像巨型飛輪一樣相互加速和減速——這種效應在地球上也可見，儘管要弱得多。
因此，正如行星探索中經常發生的情況一樣，“卡西尼”號的發現正在引發更深層次的問題。泰坦提出的廣泛的科學問題以及複雜的表面-大氣相互作用最終將需要一系列任務——就像 NASA 的火星計劃一樣——包括著陸器、漫遊車，甚至氣球。與此同時，“卡西尼”號繼續每隔幾周飛掠一次泰坦。去年八月標誌著泰坦北半球春分，隨著太陽逐漸向北移動，大氣環流和雲層模式將在我們眼前發生變化。隨著一直處於寒冷、停滯黑暗中的北極地區變暖，我們可以預期的一件事是意想不到的事情。