举世瞩目的土星探测(上)
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作者: 司马杭仁
2009年4月21日，美国航宇局公布了卡西尼土星探测器拍摄的一组颇具震撼力的土星照片，它们以迄今最令人难以置信的细节揭示了土星及其卫星和光环的秘密。最新公布的这组图片显示了土星系统内部的惊人差异，在其中一张照片上，看似宁静的光环优美地堆叠于土星赤道周围，令其与土星卫星坑坑洼洼的外观形成鲜明对比。这一探测项目的科学家正在对土星壮观的光环、迷人的卫星、充满活力的磁气圈和土卫6的表面及其大气层展开深入研究。迄今为止，这次任务的一些重大亮点有：发现土卫6具有像地球一样的进程，土卫2的南极有一个热点，表面不断向空中喷射冰状晶体，以及土卫2地下蕴含液态水的证据。
土星探测的先驱
最早探测土星的是先驱者11号、旅行者1号和2号3个探测器，它们对土星进行了走马观花式的寻访。
1979年9月1日，先驱者11号成为第1个造访土星的探测器，为土星拍摄了第1张近距离照片。它在距土星云顶20200千米的上空飞越，对土星进行了10天的探测，不仅发现了2条新的土星光环和土星的第11颗卫星，而且证实土星的磁场比地球磁场强600倍。它2次穿过土星环平面，并利用土星的引力作用拐向土卫6，从而探测了这颗可能孕育有生命的星球。不过，当先驱者11号考察土卫6时，正赶上一阵强烈的太阳风，严重地影响了发回的信息。地面控制中心只收到它在35万千米处拍下的5张高分辨率的照片。在照片上，土卫6呈现美丽的桔红色，像熟透了的桔子。
1980年11月12日，旅行者1号从距土星12600千米的地方飞过，一共发回1万余幅彩色照片。这次探测不仅证实了土卫10、11、12的存在，而且又发现了3颗新的土星小卫星。当它距离土卫6不到5000千米的地方飞过时，首次探测了这颗卫星的大气，发现土卫6的大气中既没有充足的水蒸气，其表面也没有足够数量的液态水，约有2700千米厚，比地球大气密度还高。大气的主要成分是氮气，占98％，甲烷占1％，还有少量的乙烷和氢等。金星、地球和火星的大气中也部有氮气，但是都没有土卫6这么多得-晾人。通过这次探测，测得土卫6的直径为4828千米，而不是过去认为的5550千米。旅行者1号还发现土卫6大气呈雾状，土卫6的南北两半球的明暗有差异：南半球明亮，北半球暗淡。这是什么原因造成的呢?可能是土卫6上南北不同季节引起的。旅行者1号拜访时，土卫6北半球正好是春季的开始。不过，也有人认为这可能是土星磁层对土卫6的影响。由于浓密的雾层使阳光不能照到土卫6的表面，影响了旅行者1号对土卫6表面的观测。同时，也有的科学家根据旅行者1号的观测资料，认为土卫6大气中充满甲烷。
1981年8月25日，旅行者2号从距离土星云顶10100千米的高空飞越，传回18000多幅土星照片。探测发现：土星表面寒冷多风，北半球高纬度地带有强大而稳定的风暴；像木星一样，土星也有一个大红斑，长8000千米，宽6000千米，可能是由于土星大气中上升气流重新落入云层时引起扰动和旋转而形成的。在土星光环中不时有闪电穿过，其威力超过地球上闪电的几万倍乃至几十万倍；再次证实，土星环有7条，它们由直径为几厘米到几米的粒子和砾石组成，每一条环又可细分成上千条大大小小的小环，即使被认为空无一物的卡西尼缝也存在几条小环；土星环的整体形状类似一个巨大的密纹唱片，从土星的云顶一直延伸到32万千米远的地方。
旅行者2号还发现了土星的13颗新卫星，使土星的卫星增至23颗。它考察了其中的9颗卫星，其中土卫6的实际直径为4828千米，而不是原来认为的5800千米，是太阳系行星中的第2大卫星(第1大卫星是木卫2，月球是第3大卫星)。它有黑暗寒冷的表面、液氮的海洋、暗红的天空，偶尔洒下几点夹杂着碳氢化合物的氮雨等，这是人类了解生命起源和各种化学反应的理想之处。
美国国立光学天文台的科学家们在研究旅行者2号发回的土星照片时，发现了一个奇怪的现象：在土星的北极上空有个6角形的云团。这个云团以北极点为中心，并按照土星自转的速度旋转。土星北极的6角形云团并不是旅行者2号直接拍到，因为旅行者2号并没有直接飞越土星北极上空。但它在土星周围绕行时，从各个角度拍下了土星照片。天文学家们把那些照片合成以后，才看清了土星北极上空的全貌，也才发现了那个6角形云团。土星北极上空6角形云团的出现，促使科学家们不得不重新认识土星。
通过上述3个探测器的探测，使人类大大加深了对土星的了解。然而，由于它们都是四处漫游的多用途探测器，均为路过土星时顺便“看看”，所以存在探测时间短、探测距离远等不足，无法获得有关土星的更多信息进行深入研究。要想进一步认识土星，必须发射土星专用探测器，为此，美国和欧洲联合研制了以天文学家卡西尼名字命名的专用土星探测器，卡西尼曾发现过几颗土星的卫星和土星光环的缝隙；它所携带的子探测器以荷兰天文学家“惠更斯”命名，惠更斯早在1655年就首次观测到土星光环，土卫6也是他发现的。
首个土星探测专业户
世界上第1个土星专用探测器“卡西尼”是1997年10月15日升空的。它由轨道器和着陆器组成，总重约6吨。其中轨道器由美国研制，高6.8米，高增益天线主反射面的最大直径处为4米，带有12台科学仪器；惠更斯着陆器由欧洲空间局研制，装载6台科学仪器。
为了节省发射时运载器的能量，“卡西尼”并不直接进人奔向土星的航线，而是进入一条近日点在地球轨道内的以太阳为焦点的椭圆轨道。它沿着金星一金星一地球一木星的借力飞行轨道飞临土星轨道的。它于1998年4月27日首次掠过金星；1999年6月24日再次掠过金星；1999年8月18日掠过地球；2000年12月30日掠过木星。
在经过长达约7年、航行35亿千米的星际历程之后，价值连城、技术先进的美国大型空间探测器“卡西尼”，终于在2004年7月1日进入土星轨道后于2004年12月25日向土卫6释放惠更斯着陆器，所释放的“惠更斯”于2005年1月14日降落到土卫6表面。并从土卫6表面发回科学数据和黑白照片。剩下的“卡西尼”轨道器围绕土星飞76圈，从容就近探测土星的大气、风、磁场、光环，并多次临近土星的卫星族，预计可送回从近距离记录下的土星、土星环和土卫族的图像50万幅。
卡西尼轨道器主要用于测量行星的全球风场，包括波动；长期观测云的特征以了解云是怎样增长、演化和消失的；确定土星大气层的温度场、云的特征和成分，以及深层大气的内部结构和旋转；还确定土星形成和演变期间的成分、热通量和辐射环境；研究电离层和磁场之间的关系和日变化，以及土星闪
电(其跨度可达6万千米)的源和特征。
土星的环是神秘的，卡西尼轨道器在环中穿过，有望揭开其神秘的面纱。它将绘制环物质的成分和大小分布，研究环的构形及与土星卫星的相互作用等。
土卫6是土星最大的1颗卫星，直径比水星还要大，体积是冥王星的2倍。它在太阳系各行星的卫星中之所以独树一帜。就是因为它有着厚密的大气层。据科学家们推断，其大气中含有氮气、甲烷和烃类化合物，与早期的地球大气很相似。20世纪80年代，美国旅行者号探测器曾几经飞越土卫6，但并没有弄清楚其表面和大气的有关特征。科学家们展开探索工作需要解决的问题是：土卫6的季节特点如何，在它的烟状大气中是否会有云，它的地表及地貌结构、成份怎样。最重要的是，到目前为止没有人提出足够的理由排除土卫6上会存在着某种原始的生命形式，也许“惠更斯”将为人类解答这一系列的困惑。
专家们认为，土卫6上面可能正在进行着各种各样有机化学反应。令人最为感兴趣的还是土卫6表面一片所谓的明亮“大陆”，据估计这片“大陆”仅存在于土卫6的半个球面上，有关它是如何形成的科学家们目前还不得而知。这片“大陆”有可能是山脉、海洋、平原，也可能是上述三者的结合，还可能被碳氢化合物组成的湖泊所覆盖。
地球生命的起源目前仍然是个谜。比较普遍的一种推测认为。地球生命也许是复杂的碳化合物在一种所谓“原始汤”中随机组合时诞生的，但科学家们对早期地球上的化学环境一无所知。生命诞生时地球上到底有些什么原材料?“卡西尼”以及“惠更斯”对土卫6的探测，将帮助科学家们进一步寻找答案。
在太阳系各大行星及其卫星中，只有地球和土卫6大气层中富含氮。据推测，早期地球上也许存在大量类似甲烷的碳氢化合物。科学家们说。土卫6上可能冷藏着很多化合物，一些类似化合物也许在生命诞生之前就存在于地球上。甚至有科学家认为，“卡西尼”以及“惠更斯”的探测结果将会显示，土卫6将比现阶段的地球与早期地球更为相似。欧洲“惠更斯”项目首席科学家勒布勒东形容说，探测土卫6，就好比是“回到了40亿年前的地球”。
目前尚不清楚土卫6表面到底是固态物质还是液态物质，如果是固态，“惠更斯”降落后也许能工作十几到几十分钟或当场撞得“粉身碎骨”；如果是液态，“惠更斯”降落后最多漂浮工作几分钟就会结束使命，但它可能是地球以外最适合冲浪的地方之一，因为最新的电脑模拟结果显示，只要有风，它就会产生巨大的波浪，其高度是地球波浪的7倍。这些也需要通过“惠更斯”来印证。
用“惠更斯”着陆器对其大气和表面进行研究，不仅能了解这些奇特的物体状态和形成，同时也能对地球的早期历史有所了解。
在“卡西尼”轨道器靠近土卫6飞行时，其上的仪器也将对它的表面进行远距离观测，并就地测量它的电离层和上层大气。
土星还有一些处于冰冻状态的卫星，探测这些卫星的目的是为了确定土星卫星的一般特征和地质历史。研究表面物质的成分和分布等。
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