土卫二的地形地貌
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发布时间：2022-04-29 06:01
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时间：2022-06-20 08:13
土卫二是一颗相对较小的卫星，平均直径为505公里，只有月球直径的七分之一，比不列颠岛的最大长度还稍小而其大小也和不列颠岛不相上下。而亚利桑那州和科罗拉多州也能够容得下这颗卫星。不过若论其球体面积则比以上这些区域要大得多，它的面积达80万平方公里，相当于莫桑比克的国土面积，比得克萨斯州大15%土卫二的质量和直径都位列土星卫星的第六位，居于土卫六（5150公里）、土卫五（1530公里）、土卫八（1440公里）、土卫四（1120公里）和土卫三（1050公里）之后。它也是土星拥有的最小的球状卫星之一除了它和土卫一（390公里）之外，其他的小卫星均为不规则形状，
事实上土卫二为一个扁平椭球体，依据卡西尼号发回的照片进行测算土卫二的三轴长度为513（a）×503（b）×497（c）公里，其中（a）为面向土星面与背向土星面两极间的距离，（b）为星体凹面与凸面两极间的距离，（c）为南极与北极之间的距离。土卫二围绕其短轴自转，而其长轴则成放射状地偏离土星， 1981年8月，旅行者2号在人类历史上首次近距离地观测土卫二。对获得的图像信息进行分析后，科学家们发现了至少五种不同的地形，包括撞击坑地形、平坦地形（较年轻），而在平坦地形附近，则往往分布着山脊另外还观测到大量的线性地缝 和悬崖。鉴于在平坦地区分布的撞击坑较少，科学家推测这些平坦地区的形成时间可能只有几亿年。所以，在较近的一段地质时间里，土卫二上必然发生了诸如“水火山”之类的地质活动，才能使得原先千疮百孔的地表平整如初。固态水（冰）使得土卫二表面发生了很大变化，使其成为太阳系中反射率最大的天体它的几何反照率高达138%。正因为它反*如此之多的阳光，其平整地表的夜间温度仅为-198℃（较其他土星卫星寒冷）。卡西尼号在2005年2月17日、3月9日、7月14日三次飞掠土卫二观测到了土卫二表面的更多细节。例如旅行者2号所观测到的平坦地形实际上是一些撞击坑分布较少的地区，这类地区还分布有山脊和悬崖同时在地质年龄较大、撞击坑分布密集的地区，还发现了数目众多的地缝这证明在撞击坑大量形成之后，这一地区还经历了剧烈的地质运动另外在旅行者2号过去未详细勘测的地区，亦发现了几处较年轻的地形如南极附近的一处古怪地形，
从土星卫星土卫二喷射而出的水冰射流看似从土星明亮一侧掠过。这张照片是由美宇航局“卡西尼”号飞船拍摄的。实际上，土卫二的运行轨道距土星大气顶端大约11.2万英里(约合18万公里)。土卫二的冰冷间歇泉发现于2005年，它们位于这颗星球南半球的断裂带，据认为其喷射动力源于地表下的液态水层。 旅行者2号在土卫二上发现了几种地质构造，包括槽沟、悬崖和山脊等。近期卡西尼号的观测表明土卫二上改变地貌的主要方式是构造作用。土卫二上发现的一种更加引人关注的地质构造是裂痕，这些峡谷能够延伸至200公里长，宽度为5-10公里，深度为1公里。图七显示了一条典型的大裂痕切割那些地质年龄较大、已经遭到结构性破坏的地区的景象。图八底部亦显示了这种地质构造。裂痕是一种较年轻的地质构造，因为它通常表现为切割其他地质结构，同时裂痕两壁有突出的露头。
土卫二上存在构造作用的另一例证是槽沟结构，它由一系列呈曲线状的槽沟和山脊构成。这种条纹状结构最初是由旅行者2号发现的，通常是平坦地形与撞击坑地形的分野标志。在图六和图十中均可见到这种地质构造（图十中的为撒马尔罕槽沟）。这种槽沟地形容易令人联想起木卫三上的相似地貌。不过土卫二的槽沟构造要比后者复杂：木卫三上的槽沟为平行排列，而土卫二的槽沟排列则显得较为凌乱，形状也多为锯齿状。引人关注的是卡西尼号在对撒马尔罕槽沟进行观测时发现了一些暗点（直径125-750米），它们平行排列于槽沟旁，有推测认为这些暗点是位于该地区的陷坑。
除此之外，土卫二表面还有多种地质构造。图九显示了一种狭窄的断裂地形（通常有数百米宽），该地形由卡西尼号发现。这些裂缝常常贯穿于撞击坑地形之中，其深度也只有一两百米。其中的许多裂缝在其形成过程中受到了撞击坑所产生的微薄表土的影响，导致裂纹走向经常发生变化。 旅行者2号在土卫二表面发现了两种平坦地形。这些地形的地势起伏较小，较之撞击坑地形，其撞击坑数目也很少这表明这种地质构造的产生年代较晚。其中的典型——锡兰平原，从照片上就未发现可见的撞击坑。而在锡兰平原西南方的另一个平坦地形，则纵横交错着数条槽沟和悬崖。其后，卡西尼号也曾观测过这些平坦地形，其中包括了锡兰平原和蒂雅平原，并拍下了高分辨率的照片。这些照片显示这些地形中其实布满了较低的山脊和较浅的裂缝。目前认为，其中的裂缝是由于剪切形变造成的。其中拍摄的锡兰平原的照片显示该地区仍存在着一定数量的微小撞击坑——依据这些撞击坑估计，该地区地表的年龄从1.7亿年到37亿年不等，具体年龄取决于撞击坑的分布情况。
卡西尼号对土卫二表面进行观测的区域的扩大使得更多的平坦地形得以发现，特别是在土卫二朝向轨道运动方向的球面上。这些地形上布满了数目众多的槽沟和山脊，类似于南极地区的变形构造。这些地形正好位于锡兰平原和蒂雅平原的球体对立面上，表明这一地区受到了土星引力潮汐的影响。 2005年7月14日，科学家在卡西尼号飞掠土卫二时拍摄的照片中发现了一个位于南极地区、产生构造变形的特别区域。该地区位于北纬60°区域，其间遍布裂缝和山脊，同时也存在着少量微型撞击坑，这表明这是土卫二表面最年轻的地貌，同时也是所有中等大小的冰冻卫星上的最年轻地貌；其间的撞击坑构造表明该地区的某些区域可能只有5万年的历史，甚至可能更年轻。靠近该区域的中心区分布着4个裂缝带，以及众多的山脊——这些山脊被非正式地命名为“虎皮条纹”。这些裂缝可能是该地区最年轻的地质结构，它们的四周分布着呈薄荷绿色、带有粗糙纹理的冰体——这些冰体在其他地区常常出现在岩石露头中或裂缝壁上。在该地区的平坦地带中亦发现了“蓝”冰，这表明该地区十分年轻，以致还未来得及被覆盖上一层来自E环的带有细密纹理的冰体。可见光和红外线测绘分光计（VIMS）的探测结果表明分布于“虎皮斑纹”四周的绿色物质在化学结构上与土卫二的其他地表物质存在差异，同时在“虎皮斑纹”中发现了透明的冰体，这说明这一地质构造十分年轻（可能小于1千年），或者该地质构造表面的冰体近期曾受到热源影响。另外，该仪器还在“虎皮斑纹”中测得结构较简单的有机化合物，这在该卫星上尚属首次发现。
在7月14日的飞掠中，卡西尼号对南极地区分布“蓝”冰的地区之一进行了观测，并拍下了高分辨率的照片，照片显示该地区存在着剧烈的地质变形，并发现了一些直径为10—100米的巨石。
土卫二南极地区四周环绕着一系列相互平行的、呈Y形和V形的山脊和峡谷。这些山脊和峡谷的形状、走向和位置都表明它们是土卫二的整体形变造成的。最近，存在着两种理论解释这种地形形变的产生。第一种认为：土卫二绕土星运行的轨道缩小了，从而导致土卫二自转速度的提高，这种变化进而导致土卫二自转轴的调整。第二种理论认为大量从土卫二内部喷发出的温暖的、低密度的物质导致了这种地形所在区域从土卫二南半球中纬度地区位移至高纬度地区。结果，土卫二的椭球体将会因为这种变化做出相应的调整。根据自转轴变化理论所得出的推导结果之一是土卫二的南北两极均曾有过类似的地形变化。 不过与推论相反，土卫二的北极地区却密布着撞击坑，且地质年龄也较南极地区大得多。土卫二地壳的厚薄不均或许可以解释这种差异。这种地壳厚度的变化得到了南极地区边缘Y形、V形地形和毗邻南极的地区地质年龄之间相互关联的佐证：Y形的、不连贯的地形和纵贯南北的断裂带均是较年轻的地形，推测亦认为这种地形对应的地壳厚度较薄；而V形地形则毗邻着那些地质年龄较大、撞击坑分布稠密的地区。 在80年代初期旅行者号对土卫二进行了观测之后，科学家们基于以下理由认为该星体可能存在着地质活动：年轻的、具有高反射度的表面和其处于E环核心区的位置。 土卫二和E环的联系使科学家猜想认为土卫二正是E环上散布的物质的来源——即从土卫二内部喷射出的水蒸气最终构成了E环。不过，旅行者号的观测结果未能提供确凿证据证明土卫二现今仍处于活跃状态。不过之后的卡西尼号上承载了多种仪器，通过这些仪器的观测，科学家最终发现了土卫二上存在着喷发水和其他易挥发物质、而非硅酸盐石块的*山。2005年1月和2月，卡西尼号上的成像科学子系统（ISS）首次观测到土卫二南极地区喷发出的由细小冰晶构成的羽状物。在2005年2月17日的飞掠中，磁力计观测到的关于土卫二大气的数据也证明之前成像科学子系统所观测到的现象是真实的——该数据显示当时土卫二附近的离子回旋波的能量有所增强。离子回旋波是离子和磁场相互作用的产物，通过测定离子回旋波的频率可以确定物质的构成——经过测定，这种物质是经过电离的水蒸气。在其后的两次飞掠中，磁力计发现土卫二大气中的气体大部分都集中于南极地区，其他地区的大气浓度则相对十分稀薄。在2月17日和7月14日的飞掠中，紫外线摄谱仪（UVIS）观测到两例掩星现象。在2月的飞掠中，紫外线摄谱仪未能找到土卫二赤道地区存在大气的证据，但在7月飞掠观测掩星现象的过程中探测到了水蒸气的存在。
卡西尼号偶然地穿越了气体云，离子和中性粒子分光计（INMS）和宇宙尘埃分析仪（CDA）从而能够直接获取羽状物的样本。离子和中性粒子分光计对气体云的物质构成进行了测定，发现其中大部分为水蒸气，并包含少量的分子态氮、甲烷和二氧化碳。宇宙尘埃分析仪发现“越靠近土卫二，颗粒物质数量越多”，这证明土卫二的确是E环物质的主要来源地。离子和中性粒子分光计以及宇宙尘埃分析仪的数据表明卡西尼号穿越的气体云确为*山所喷发的、富含水分的羽状物，这种羽状物来源于南极地区的喷射口。
2005年11月，这种喷射活动得到了进一步的确认，成像科学子系统拍摄到了土卫二南极地区类似喷泉的冰晶喷射活动。（实际上，在之前的2005年2月，卡西尼号已经拍摄到羽状物，只是仍需要进一步对高相位角度拍摄的照片——即当太阳处于土卫二身后时所拍摄的照片——进行研究以真正确认其存在，这些照片还需要同其他土星卫星的高相位照片进行对比。）11月的观测结果显示了羽状物的完整结构，并发现该羽状物由数个独立的喷射活动的喷射物（或许来自数个不同的喷射口）共同构成，并扩展至距卫星表面近500公里的地区。这一观测结果使得土卫二成为第四颗被证实存在火山活动的太阳系天体，之前的三颗分别是地球、海卫一和木卫一。2007年10月，在成像科学子系统观测到尘埃喷射活动的同时，紫外线摄谱仪亦观测到了气体喷射活动。
2008年3月12日的飞掠使卡西尼号获得了进一步的观测机会。观测数据显示羽状物中含有更多的化学物质，包括简单的和复杂的碳氢化合物，如丙烷、乙烷和乙炔。这项发现提高了土卫二表面存在生命的可能性。卡西尼号上的离子和中性粒子分光计对羽状物的物质构成进行测量后发现其与大部分彗星的物质构成相近。多种观测仪器的观测结果表明在土卫二南极地区，这种从受压的地下腔室中喷发羽状物的活动类似于地球上的喷泉。由于离子和中性粒子分光计和紫外线摄谱仪均未在喷射物质中发现氨——该物质能够起到防冻作用，因此科学家预测在土卫二地下受热、受压的腔室中流动着温度至少达到零下3摄氏度、近乎纯净的液态水，即如图十三所示。由冰融化为纯水，比之氨水混合物的融化需要更多的热量。这种热量可能来自引力潮汐能或辐射源所产生的能量。另一种产生羽状物的途径是土卫二表面温暖的冰的升华。在2005年7月14日的飞掠过程中，卡西尼号上的红外成份分光计（CIRS）在靠近南极点的地区发现了一个温暖区域，该区域的温度达到了85-90开尔文度，部分区域的温度甚至高达157开尔文度（零下116摄氏度），远较地表接收阳光辐射产生的温度高，这表明该区域受到了土卫二内部热源的加热。在这种温度下，该区域的冰体能够以较其他区域冰体快得多的速度升华，并产生羽状物。这种假说受到了较多关注因为如若加热地表冰体的地下层物质为呈半流质状态的氨水混合物，那么不需要太多的能量就可以产生羽状物不过，羽状物中富含的大量冰晶显然更支持“冷喷泉”模式假说并削弱了冰体升华假说的可信性，
此外，基辅等人还提出了笼型水合物的来源理论，该理论认为，当“虎皮斑纹”地形破裂时，蕴藏于其中的二氧化碳、甲烷和氮暴露于真空之中，从而被释放出来。该理论并不需要“冷喷泉”模式假说中用于融冰的热能的存在，也能在缺少氨的情况下解释得通。 在卡西尼计划施行之前，人们对于土卫二的内部构造知之甚少。不过，在卡西尼号飞船对土卫二进行的数次飞掠过程中所得出的探测结果为构建土卫二的内部模型提供了必要的信息，其中包括了对土卫二的质量和三轴椭球体形状的测定、高分辨率的地表照片和地质化学上的新发现。之前旅行者测得的土卫二质量表明土卫二可能完全是由固态冰组成的。但是根据土卫二对卡西尼号的重力作用效果进行的测定表明，这个数值要远高于之前的推测，其密度达到了1.16克/立方厘米，高于土星其他中等体积的冰卫星的密度，这表明土卫二可能含有更多的硅酸盐和铁。除了固态冰之外其他物质的存在，意味着土卫二内部可能拥有放射性物质衰变所产生的较为丰富的热能。
卡斯蒂略等人认为土卫八和其他的土星冰卫星都是在土星分星云形成后不久就形成的因此富含短期放射性核素。这些放射性核素，如铝-26和铁-60，有较短的半衰期并能够相对较快地为星体内核提供热能。虽然土卫二拥有相对高密度的岩石构造但是如果没有这些短期放射性核素，那么土卫二内部的长期放射性核素则来不及阻止内核的快速冰冻。 鉴于土卫二的高密度岩石构造，人们猜测铝-26和铁-60的高含量将会导致一个不同的构造类型的出现，这个构造类型包含了一个冰冻的地幔和一个岩石的内核。后期的辐射能和潮汐作用则将内核的温度提升到了1000 K，这个温度足以融解内层地幔。但是，若要保持土卫二地质活动的活跃性，则部分的内核也必须融化，以形成岩浆腔室，这种腔室在土星的潮汐作用下会扭曲变形。土卫四的共振效应或天平动产生的潮汐热使得这些位于内核的热点至今仍保持活跃，并为现在土卫二上的地质活动提供能量，
此外，科学家还测定了土卫二的形状，以进一步判断该卫星是否具有内部分层结构。波尔科等人根据其2006年的测量结果认为该星体处于流体静力学的平衡状态，在此状态下，星体内部是不分层的，这与地质学及地球化学方面的证据所指向的结果相矛盾。不过，该星体的形状并未排除其不处于流体静力学平衡状态的可能性可能在较近的一个时期土卫二仍可能拥有一个分层的内部结构，在该星体的某些区域旋转速度较其他区域来得快， 由此，科学家们对土卫二地下存在持续热源的假说展开了研究。在会议上，有关专家提出了自己的 看法:土卫二内部的放射性物质衰变就是持续热能来源。
美国航空和航天局“卡西尼”项目主要研究人员之一丹尼斯·马特森说，土卫二形成之初是个冰块和岩石混合体其中岩石部分含有两种放射物同位素。45亿年来，放射性衰变不断，散发大量热能，逐渐造就了土卫二岩质核心外包冰层的结构。直到今天，土卫二内部的放射性衰变也没有停止，内核产生的热能又进 一步融化着土卫二的中心部分，
正是这样周而复始的放射性衰变为土卫二提供了源源不断的热能，并打破了其南极附近冰层的平衡，形成高温区域，造成冰层断裂，直接导致了“卡西尼”捕捉到的冰屑及水蒸气喷发现象。 欧美天文学家最新在《科学》杂志上报告说，他们通过分析引力场判断，土星的卫星土卫二存在一个巨大的“地下海”。这也许是寻找外星生命的理想地点之一。
土卫二是一个直径只有约500公里的“小世界”，其表面被耀眼的白色冰层包裹。2005年，“卡西尼”探测器发现土卫二南极分布着一些被称作“虎纹”的平行条带状地貌，并有冰屑间歇泉喷出，科学家因此猜想土卫二可能有一个“地下海”。
天文学家利用“卡西尼”探测器2010年至2012年期间3次近距离观测土卫二获得的数据，分析确定了土卫二的引力场。研究发现，土卫二的引力场存在“引人注目的不对称性”，其中南极的引力较弱，但又大于根据其地形计算得出的数值。他们认为，“起到弥补性作用”的是南极表面下的液态水，因为水的密度大于冰，形成的引力也大于冰。
进一步的分析认为，该“地下海”位于土卫二南极30至40公里厚的表面冰层之下，其厚度约为10公里，并延伸至南纬50度左右。参与研究的加州理工学院教授戴维·史蒂文森说：“这意味着它的面积与地球上的第二大湖苏必利尔湖相当甚至更大。”
研究还显示，土卫二“地下海”的海底可能是硅酸盐岩石，这意味着此地环境适合复杂的化学反应，包括那些可能创造了类似早期地球环境的化学反应。
此外科学家认为，与土卫二相似的木星的卫星木卫二也可能存在“地下海”。史蒂文森说，研究这两颗卫星有助了解太阳系中的宜居环境。太阳系中肯定还有其他水资源充足的星球。
