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布鲁卡的脑——对科学传奇的反思 作者: 卡尔·萨根 第十三章 提坦，谜一般的土星卫星 一层地毯似的氢气使提坦变得温暖起来，纵横的冰凌覆盖下的火山，在冰川的心脏喷发着团团氨气。这一切液态、冰态的财富，支撑着一个帝国，它比水星大，仿佛有点象邃古时代的地球：沥青般的原野上，点缀着灼热的矿坑。而我，又多么想撷取提坦的水呵！那氤氲的天空下，映在樱桃色雾霭中的大地扑朔迷离；上面靉叇的云朵，象是漂浮游动的子宫，高耸而又群集，带着原始的浓羹悄然飘落，生命就等候在它的庇护下诞生。 黛安·阿克曼《行星》 （纽约，莫罗出版社，1976年） “提坦”（Titan）既不是一个家喻户晓的名称，亦不是一个人人皆知的世界。当我们测览一张熟悉的太阳系天体表时，我们通常很少考虑到它的。但是，最近几年来，这颗土星的卫星已经作为一个令人感到特别兴趣并且对于未来探索具有重大意义的地方而出现在人们面前。根据我们最近对于提坦的研究，揭示出它具有同太阳系中任何天体相比更接近于地球的大气－－至少就其密度而言是如此。正当我们认真着手探索其它世界的时候，仅此一事实，就足以使它具有新的重要意义。 根据康奈尔大学约瑟夫·维弗卡（Joseph Veverka）和詹姆斯·埃利奥特（James Elliot）等人的最新研究成果表明，提坦除了是土星的最大卫星外，也是太阳系里最大的卫星－－直径约5800公里（3600英里）。提坦比水星大，差不多有火星那么大。然而，它却没着围绕土星的轨道飞行。 通过观测太阳系外层的两个主要世界——木星与土星，我们也许可以获得有关土星本质的一些线索。这二者周身为浅红色或浅棕色。这即是说，我们从地球上看去其上部云层主要呈这种颜色。在这两个行星的大气和云层中，有些东西正在强烈地吸收着蓝光和紫外光，所以反射回来到我们这里的光线主要为红光。事实上，太阳系外层有不少天体都明显地呈红色。由于提坦远离我们8亿英里，并且它有一个小于木星的伽利略卫星的角值，因此，我们尽管还没有取得它的彩色照片，但光电研究揭示出，它实际上是红色的。考虑过这个问题的天文学家过去曾经相信，提坦之所以呈红色的原因与火星呈红色的原因一样：都是锈色的表面。但提坦呈红色的原因与木星和土星呈红色的原因不同，因为我们还没有看到那些行星的固体表面。 1944年，杰勒德·凯珀（Gerard Kuiper）利用光谱方法探测出提坦周围有一层甲烷大气——第一个被发现有大气层的卫星。此后，观察到甲烷的这一事实被证实了，得克萨斯州立大学的劳伦斯·特拉夫顿（Lawrence Trafton）还提供了至少具有一定参考意义的证据，表明它上面有分子氢的存在。 由于我们知道能够产生被观察到的光谱吸收特征的气体的最低量，并且根据它的质量和半径我们即能得知提坦的表面重力，因此，我们就能推算出最低大气压力来。我们发现它象是10毫巴左右，约为地球上大气压力的百分之一——超过了火星上的大气压力。在太阳系里，提坦具有最象地球的大气压力。。 法国默顿天文台的奥顿英·多尔夫斯（Audouin Doll-fus）用一台最好的、也是独一无二的目视望远镜对提坦进行了观测。观测结果是在大气稳定瞬间，通过望远镜用手描制出来的。根据观测到的各种片断资料，多尔夫斯断定，提担上正在发生的事情与该卫星的旋转周期无关（人们认为，提坦总是面向土星的，象我们的月亮总是面向地球一样）。多尔夫斯猜测，提坦上可能会有云，至少是一种片状的云。 近年来，我们对提坦的认识有多次实质性的量子跳跃。天文学家们已经成功地获得了各种小天体的偏振曲线。这个概念是，起初是非偏振的阳光落在提坦土，经过反射而成偏振了。偏振现象是通过一个原理上类似于“偏振的”太阳镜、但比后者更精密、更灵敏的装置检测出来的。偏振的总量是在提坦运行到一个小范围相位——介于“满”提坦和微“凸”提坦之间时测出的。将测得的偏振曲线与实验室的偏振曲线进行比较，即可获得产生偏振效应的物质的体积和成分。 首先对提坦进行佩振效应观测，是由约瑟夫·维弗卡作的，观测表明，从提坦上反射回来的阳光，更象是从云层而不是从固体表面反射回来的。很明显，提坦的表面和较低层的大气，我们未能看见；我们所确实见到的是那不透光的云层和一层重叠着的大气层，以及在它上面偶尔现出的片状云层。由于提坦呈红色，我们看到的是它的云层，据此论据推测，提坦上必定有红色的云层。 另一项支持这个概念的依据来自环绕轨道飞行的太空观察室的测量，其结果显示出，由提坦反射出来的紫外线辐射总量极低。保持提坦紫外光亮度微弱的唯一方法，是在大气压高处有吸收紫外线的东西。否则，由大气分子所致的“瑞利”散射光将使提坦在紫外线中变得明亮（“瑞利”散射，即指蓝光优先于红光的散射，这就是地球上的天空呈蓝色的原因）。 但是，吸收紫外光和紫光的物质在反射光中呈红色。因此，覆盖提坦的广阔云层，有两条（如果我们相信用手绘制的观测图的话，说它是三条也可以）明显的分界线。这里的“广阔”是什么意思呢？它意味着提坦的上空必定有百分之九十以上的部分有云层，这样才能与我们所掌握的偏振数据相吻合。提坦似乎被靉叇的红色云层覆盖着。 1971年，出现了第二次令人惊奇的进展，当时，剑桥大学的D．A．艾伦（D．A．Allen）和明尼苏达州立大学的T．L．默多克（T．L．Murdock）发现，提坦发射着波长为10～14微米的红外线，比我们所估计的太阳热能的红外线发射多两倍。由于提坦太小，它不可能有木星或土星那么巨大的内能源。唯一的解释似乎是温室效应，这种效应使得表面温度不断上升，直至慢慢泄漏的红外辐射与被吸收的可见光辐射量正好平衡为止。正是这种温室效应，使得地球的表面温度保持在零度以上以及使金星的表面温度高达摄氏480度。 但是，是什么东西造成提坦的温室效应呢？这不可能象是地球和金星上那样的二氧化碳和水蒸气，因为大部分这些气体在提坦上应当是被冻结了，据我计算的结果，几百个毫巴的氢气（地球海平面上的总气压为1000毫巴）就可产生足够的温室效应。由于这个数字大于观测到的氢气量，因此，那里的云层对于某些波长短的光线来说无法通过，而对于某些较长的光线则可以穿透。根据国家航空和宇宙航行局艾姆斯研究中心的詹姆斯·波拉克（James Pollack）的计算，几百个毫巴的甲烷也同样可以产生足够的温室效应，或许还可解释提坦的红外线发射光谱的某些细节。如此大量的甲烷也必定是藏在云层下面。这两种温室效应模型都只诉诸于被认为在提坦上存在的气体；当然，这两种气体是会起到一定作用的。 另一种提坦大气模型，是由普林斯顿大学已故的罗伯特·丹尼尔森（Robert Danielson）和他的一些同事提出的。他们认为，已经观察到的提坦上部大气层中存在有诸如乙烷、乙烯和乙炔等少量的简单碳水化合物，能吸收来自太阳的紫外光线并对上部大气加温。所以，我们在红外线中所见到的是炽热的上部大气而不是提坦的表面。根据这个模型，那里就不会存在神秘的温暖地表，也不会有温室效应和几百毫巴的大气压了。 哪一种观点正确呢？目前谁也不知道。这种情况令人想起二十世纪六十年代初期有关金星的研究，当时已经知道该行星发射的光线温度很高，但对于那种发射究竟是来自炎热的表面还是来自炎热的大气区，曾经有过（正当的）激烈的争论。由于无线电电波能穿过一切最稠密的大气层和云层，因此，如果我们能掌握该卫星无线电亮度温度的可靠的测量数据，那么提坦的问题就可以解决了。康奈尔大学的弗兰克·布里格斯（Frank Briggs）利用弗吉尼亚西部格林班克国立射电天文台的巨型干涉仪，首次作了这样的测量。布里格斯发现，提坦表面温度为－140℃，其误差幅度为45℃。这个温度在没有温室效应的情况下，预计约为－185℃。因此，布里格斯的观察，似乎表明那里有相当可观的温室效应的厚度较大的大气，但是，测量上出现误差的可能性仍然很大，致使温室效应成为零。 此后，另外有两个射电天文小组观察出来的数值，与布里格斯所得的数值相比，有的偏高，有的偏低。较高的温度数字，高得令人吃惊，甚至接近地球上寒带的温度。观察所得的情况，如同提坦的大气一样，似乎是非常含糊不清的。如果我们能用雷达（光学测量可以告诉我们从云层顶部到另一星球云层顶部的距离）测出提坦固体表面的面积，问题就可解决。这个问题可能要等“旅行者号”考察组研究的结果，已计划在1981年发送两艘精密的宇宙飞船接近提坦——其中一艘将非常靠近它。 我们选择的无论哪一种模型，都与对红云的认识是一致的。但红云是由什么构成的呢？如果我们用甲烷与氢气造成一种大气，并给它提供能量，那么，我们将可以制造出一系列有机化合物，既有简单的碳氢化合物（象制造丹尼尔森氏大气上部转化层所必需的那类碳氢化合物），也有复杂的有机化合物。在我们康奈尔大学实验室中，比斯恩·卡哈（Bishun Kh－are）和我以模拟方式制造了存在于外层太阳系的这类大气。我们所合成的复杂有机分子，具有类似于提坦云层那样的光学性质。我们认为，有力的证据说明提坦上是有丰富的有机化合物的，并且，大气中含有简单的气体而在它的云层及表面上则存在着更为复杂的有机物。 与提坦上有大量大气存在有关的一个问题是，由于重力低，轻质气体氢必定会拚命往外逸。对此，我能作出的唯一解释是，那里的氢处于“平衡状态”。这就是说，它不断外逸，但又不断从某种内源——很可能是火山——得到补充。提坦的密度是如此之低，以致它的内部必定几乎全都由冰组成的。我们可以把它视为一颗由甲烷、氨和冰水组成的巨大彗星。那里也必定有少量放射性元素的混合物，它们衰变着并使它们周围的环境变热。热的传导问题，已由马萨诸塞理工学院的约翰·刘易斯（John Lewis）解决了。很清楚，提坦内靠近表面的部分会呈粘稠状。甲烷、氨和水蒸气从内部逃逸出来，并且被太阳的紫外线分裂而同时产生大气氢和云层有机化合物。那里的表面，可能有由冰而不是岩石构成的火山，它们偶尔喷发出液态冰流而非液态岩石——一种流动的甲烷、氨的熔浆，也许还有水。 所有这类氢气的外逸，还带来另一个后果。大气分子从提坦外逸速度，通常不如从土星外逸速度大。因此，正如康奈尔大学的托马斯·麦克多诺（Thomas McDonough）和已故的尼尔·布赖斯（Neil Brice）所指出的，从提坦流失的氢，将形成一种围绕土星的扩散性氢环或氢圈。这是一种非常有意义的预断，首先是针对提坦提出来的，但对其它卫星也可能适用。“先驱者10号”已经探测到了在木卫二附近有一个这样的氢环围绕着木星。当“先驱者11号”和“旅行者1号”、“2号”飞临提坦时，他们也许能探测出提坦的环来。 提坦将是外层太阳系中最容易探索的天体。类似木卫二或小行星这样无大气的世界，存在着一个着陆问题，因为我们无法利用大气来制动。类似木星与土星的巨大世界，则有一个相反的问题：因重力而产生的加速度是如此之大，以及大气厚度的增加是如此之快，以致很难设计一种进入时不至焚毁的大气探测器。然而，提坦却有足够稠密的大气和足够低度的重力。如果它的距离再近一些的话，我们今天也许已经往那里发射探测火箭了。 提坦是一个可爱的、难以捉摸和具有启示性的世界，我们突然认识到它是可以探索的；通过用宇宙飞船的靠近飞行，以确定它总的球面参数以及搜寻云层的裂口；通过将探测器发射进去以获取红云和不得而知的大气样品；以及用登陆方式去考察那个与我们所知道的天体皆不相同的表面。提坦给我们提供了研究各种有机化学的绝妙机会，可能正是这种有机化学才导致了地球生命的诞生。尽管它的温度低，但提坦上有生物存在，决不是不可能的。它的表面地质学，可能在整个太阳系中是独一无二的。提坦正在等待着…… ------------------ |
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