Cassini

卡西尼號與土星

蘇明俊 博士

樹德科技大學休閒事業管理系助理教授

高雄市天文學會理事長

　　史上最大的太空船－－卡西尼號(Cassini)將航向人類肉眼可見最遠的行星－－土星。卡西尼號已於1997年10月15日清晨發射升空，在2004年7月1日到達土星，並投射探測器惠更斯號登陸土星最大的衛星－－泰坦(Titan)，目前正環繞土星進行科學研究。全部任務預定在2008年結束。

◎第一節　卡西尼號的任務

◎第二節　最漂亮的行星－－土星

◎第三節　太陽系唯一有大氣層的衛星－－泰坦

第一節　卡西尼號的任務

□卡西尼小檔案

吉恩—多明尼克．卡西尼(Jean-Dominique Cassini)是義裔的法國天文學家，1625年六月八日出生於義大利 Imperia的Perinald，1712年九月14日死於巴黎，他透過年輕人對於占星術的喜好，建立了法國天文學研究的全盛時期。

　　因為接受教會的教育，卡西尼在學生時代就對占星學非常好奇，諷刺的是：卡西尼在天文學上的成就，受到占星學的影響很大。Marquis Cornelio Malvasia 是當時很有名的業餘天文學家，他決定要計算占星學上各個星球的位置，就僱用卡西尼幫忙，他的天文台就在義大利北部的波隆那(Bologna)，讓卡西尼有機會使用Malvasia 的儀器，得以踏入研究星空的領域。卡西尼在教會科學家的指導下，完成學業，由於他的素質和講究精確的精神，在學術上的成就開始享有聲望和榮譽。

卡西尼三十歲之前，在波隆那的政府機構任職，同時在波隆那大學教授天文學的課程，也在Pope的領導下，研究波河(Po River)氾濫的原因和治水之道；對於其它研究領域也有涉獵，如：彗星、昆虫學、和輸血等。

　　後來，他放棄占星學，開始鑽研恆星和行星，發展了描繪日食紀錄的方法，出版有關太陽的各種數據表，從正弦定律發現第一個大氣折射的主要理論；把彗星軌道的新理論公式化，有了大口徑的望遠鏡之後，對於火星的表面觀測，也有重要的發現，例如：行星週期的計算、火星上的斑點、木星的自轉和衛星的公轉情形、木星表面的斑點、帶狀的木紋、南北極的扁平率等。

卡西尼在四十一、二歲時，任職於剛成立的巴黎天文台，協助設置各項儀器，持續推動天文台獲得最新的設備，用最新的發明和改良儀器，成立基金採購天文器材。他致力於月亮、火星、木星、彗星、行星與衛星的軌道等的研究，發現了土星的衛星Iapetus、Rhea、Tethys、和Dione。1675年發現土星環被一個很窄的狹縫分成兩部份，就是「卡西尼縫」。

　　卡西尼相信地球是圓球形的，並提出適當的假設，以測量子午線的弧度；他的假設得到Cartesians的支持。他也假設光速無窮大，但不久就被推翻了。他反對宇宙重力的理論，也拒絕接受泰戈布拉赫(Tycho Brahe) 對行星系統的說法，他和牛頓理論之爭，由小兒子Jacques 繼續奮鬥。他和妻子Genevieve de Laistre有兩個兒子，小兒子Jacques 是一位成功的天文學家和測地學家，逐漸取代父親在天文台的地位，父親在死前兩年失明，Jacques 就代替他的研究地位，成為巴黎天文台的領導人。Jacques 的兒子Jean-Dominique(卡西尼四世)，就在巴黎天文台出生，後來也變成天文台的主任。他說服路易十六同意重新改組天文台，但因法國大革命而沒有成功。

帝國主義者－卡西尼，反對新的革命政府干預天文台的事件，遭致於1793年下台的命運，至此，卡西尼家族掌控巴黎天文台有一百二十餘年之久。

□卡西尼任務

　　卡西尼號原預訂於1997年十月六日在佛羅里達州的卡那維爾(Canaveral )角發射升空，使用美國空軍的泰坦四號人馬座發射器，它可以提供足夠的速度，讓太空船進入軌道，預定2004年七月到達土星。後來因為強風及電腦故障延後兩次發射，最後在十月十五日清晨4:43駕著晨曦直奔太空而去。卡西尼號是為了紀念十七世紀義裔的法國天文學家卡西尼(Jean Dominique Cassini)而命名的太空船，他發現土星環著名的裂隙，也發現幾個冰冷的衛星：Iapetus、Rhea、Dione、Tethys。

卡西尼號將繞著土星運行四年，全程十七億公里，以便對下列主題做精密的觀察：土星的衛星、土星環、土星本身的結構、以及土星磁場的環境。卡西尼號將攜帶有降落傘設備的探測器－－惠更斯(Huygens)號，以進入土星的大氣層和泰坦(Titan，土星最大的衛星)的表面，並傳回地球至少1100張泰坦的照片。

歐洲太空總署所提供的惠更斯號是以荷蘭的科學家惠更斯(Christiaan Huygens)的姓氏所命名的探測器；他在1655年發現土星最大的衛星－－泰坦，而1659年所宣稱土星奇怪的形狀(像是兩個衛星，又和土星黏在一起)，其實就是它的環。惠更斯也發明掛鐘聞名於世，那是第一個精確的計時裝置。

□卡西尼號太空船

　　本計畫由美國太空總署(NASA)噴射推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory，JPL)的Richard J. Spehalski主持，惠更斯號由歐洲太空總署(ESA) 負責提供，複雜的無線電天線由義大利太空總署(ASI)負責提供；它原在JPL組合與測試，1997年六月運到佛羅里達州的卡那維爾角準備發射，1997年十月十五日清晨在美國發射。

卡西尼號太空船是由軌道衛星(Orbiter) 和惠更斯號探測船組成的高級機器，也是有史以來，最大的太陽系內太空船。探測器和軌道衛星組合，並且加滿燃料之後的重是5630公斤。其中軌道衛星就裝載了超過3130公斤的液體燃料(超過總重的一半)，光燃料就比伽利略號(登陸木星的探測船)和航海家太空船合起來還重，它站起來超過 6.7公尺(比兩層樓還高)，寬度也超過4 公尺。卡西尼有1630組電路互相連接、有22,000組電報通訊線路、還有超過十四公里長的電纜。它因為太重而無法直接射向土星，除了泰坦四號火箭的推力之外，行星提供重力的協助，使太空船轉彎並且加速，是讓卡西尼號進入土星軌道的必要做法；兩次經過金星一次經過地球所得到的重力，可以節省相當於68040公斤火箭的燃料。

□泰坦四號／人馬座

泰坦四號是兩節的推進器，有兩個固態火箭的發動機；上層是人馬座，和高二十公尺的太空船減阻裝置。發射升空時總重943,926公斤(包括卡西尼號太空船的重量) 。位於泰坦四號上層的人馬座，寬四公尺、高九公尺，裝有22,226公斤的推進器。發射器全部的高度有56公尺，接近十八層樓的高度。

為了把太空船射入地球的軌道，需要三節燃料。燒完之後，人馬座便會從兩節的泰坦四號分離，再燃燒將近兩分鐘，使太空船進入滯留軌道，也就是地表上空 445公里處，在此軌道廿分鐘後，人馬座將最後一次點火，並且把卡西尼射出地球軌道，直奔金星而去，藉金星重力之便，讓卡西尼轉向土星的航程。

　　泰坦四號／人馬座是美國空軍的發射系統，為了卡西尼任務，將移交給美國太空總署掌管發射器消耗品的部門。太空總署路易斯(Lewis) 研究中心發射器的設計部門負責監督太空船和發射器的組合工作。美國空軍採購發射器的主要廠商是洛克希德—馬丁(Lockheed-Martin)公司。

□探測土星及其衛星泰坦的計畫

　　卡西尼任務計畫在1997年十月六日發射，2004年七月一日到達土星，並且布署探測器登陸土星最大的衛星泰坦(Titan)。

發射國家：美國。　

發射任務：繞土星運轉並投射探測器登陸泰坦，以廿七種不同的科學研究來探測土星系統。

發射日期：1997年10月 6日泰坦四號發射升空(後因強風及電腦故障延至15日清晨才發射升空)

1998年 4月21日第一次飛經金星上空(藉重力轉彎及加速)。

1999年 6月20日第二次飛經金星上空。

1999年 8月16日飛經地球上空。

2000年12月30日飛經木星上空。

2004年 6月25日進入土星軌道。

2004年11月27日惠更斯探測器在「泰坦」登陸。

2008年 6月卡西尼任務完成。

發射工具：泰坦四號／人馬座；發射升空時總重943,926公斤 (包括卡西尼號太空船的重量)。位於泰坦四號上層的人馬座，寬四公尺、高九公尺，裝有22,226公斤的推進器。軌道衛星發射時的質量有5630公斤，繞土星運轉時是2150公斤。

惠更斯號探測器是350公斤(直徑約2.7公尺)。

火箭負載：卡西尼號、影像的次系統、繪製泰坦地形圖的雷達、離子和不帶電粒子的質譜儀、繪製可見光和紅外光地圖的分光計、混合成的紅外線分光計、宇宙塵的檢偏鏡、無線電波與原形質波分析儀、原形質分光計、紫外線影像攝譜儀、輻射層影像儀、雙重測定的磁力計、惠更斯號探測器、遞減影像與光譜輻射計、大氣結構探測儀、氣體層析計和質譜儀、懸浮微粒搜集熱解儀、表面科學的裝備、風的都卜勒實驗儀器。

合作國家：本計畫由美國太空總署(NASA)噴射推進實驗室的 Richard J. Spehalski主持，惠更斯號由歐洲太空總署(ESA) 負責提供，複雜的無線電天線由義大利太空總署(ASI)負責提供，還有好幾個與歐洲國家合作的學術和工業機構。

航程：全部航程32億公里，另外繞土星運行約17億公里。

航速：太空船到達土星時的速度 5.2Km/s(相當於時速18720公里)。太空船飛經地球時的速度19.1Km/s(相當於時速68760公里)。太空船飛經金星時的速度13.0Km/s(相當於時速46800公里)。

卡西尼號航程表

*因為強風及電腦故障，發射日期延後兩次於十月十五日發射。

第二節　最漂亮的行星－－土星

□土星小檔案

土星(Saturn)是太陽系第二大的行星，只有木星(Jupiter)比它大，它是肉眼可見最遠的行星，表面呈黃色。和木星一樣，在雲層下面沒有固態的表面，多彩的雲是氨的結晶。赤道上空有土星環，是唯一能用小望遠鏡看見的環(木星、天王星、海王星也都有環)。赤道半徑60,268公里，兩極半徑54,364公里，軌道的平均半徑是9.54天文單位，繞轉太陽的週期大約 29.46年。有衛星十八個，利用1995年五月廿二日的土星環消失和哈伯太空望遠鏡傳回來的影像，Amanda Bosh 和Andrew Rivkin 發現二個新衛星，另外八月十一日的土星環消失又發現二個，一共是廿二個。

　　藉著土星內衛星的觀測，可以得知土星的質量為地球的 95.16倍，它的體積是地球的 764倍，再計算它的平均密度，大約是7×102 kg／m3，只有水的 0.7倍，換句話說：如果把土星投入一個夠大的水潭中，它是浮在水面上的，並且有十分之三的體積會露出水面。是太陽系中密度最小的行星。

在望遠鏡中可以看到土星的表面很像木星，但沒有什麼明顯的特徵，很難從觀察土星的表面來測量它自轉的週期。然而，測量行星邊緣在光譜線上的都卜勒效應，則可以精確地測知土星赤道的自轉週期是10h14m，往兩極則漸增至10h38m。

藉著從太陽射向土星的熱輻射來預測土星的溫度，可以知道土星雲頂的溫度大約是134K。土星的光譜線中存在有氨的譜線，但不如木星強烈；甲烷的譜線則比土星強。航海家太空船用紅外線掃描土星，發現氫和氦含量的比率是96%：4% ，這個值和木星的含量相同，二者輻射到太空的能量比接收的能量也都較大(射出的能量比接受的多79%)。土星赤道的風速大約是向東每秒500m，其它緯度的風速是南北半球對稱的。土星磁場的北極和地理的北極非常接近。

□土星的環

土星是第一個被發現在赤道平面有環的行星，1610年義大利科學家伽利略(Galileo Galilei,1564-1642)觀測到土星奇特的外觀，很像兩個衛星黏住土星兩側，或說黏在一起的三顆星，因為他的望遠鏡雖然能夠看到土星的盤面，卻因鑑別率不夠仍無法認出環來，改良望遠鏡後才認出土星環。一直到了1655年惠更斯(Huygens)才確認土星奇怪的形狀就是土星環。1675年，義大利天文學家卡西尼(Jean Dominique Cassini)正在巴黎工作，發現土星的環分為兩個環，外環叫Ａ，內環叫Ｂ，之間的縫隙就叫卡西尼縫。第三個環很暗，在1850年被Bond發現，更靠近土星表面，被叫做Ｃ環或Crepe環。1969年，Guerin發現Ｃ環(Crepe)也有結構，裡面的環就叫做Ｄ環。自從航海家完成任務以後，發現更多密密麻麻的環；Ａ環有自己的恩克(Encke)縫，外圍也多了F、Ｇ、Ｅ環 (由內而外)，當然都是很窄的環，否則早就被發現了。

　　土星的赤道面和它的軌道平面夾26度44分的角度，而環面與赤道面則在同一平面上。每十五年，當環面恰好側對地球的時候的亮度，和整個環都能看見的亮度相比，至少相差百分之七十以上。證明環面是相當地薄，厚度可能不超過20公里，有時還可以透過環面看見後面的亮星。

　　在1856年時，馬克斯威爾(James Clark Maxwell) 認為如果環面保持穩定的軌道繞轉土星的話，環不可能是一片固體或液體，因為土星的重力會把它們撕成碎片；事實上，環就是由細小的碎片所組成的。1895年，Keeler用分光鏡證實了這個說法。

□發現土星的衛星

從1655年到1980年間，天文學家利用土星環消失的機會共發現了十三個衛星，1980年初，航海家太空船拜訪土星時又確認了五個，最近Amanda Bosh和Andrew Rivkin利用土星環消失(側對地球)期間，和哈伯太空望遠鏡於1995年五月廿二日傳回來的廿七幀影像，宣布發現四個可能的新衛星1995 s1～s4， 新衛星的大小在19到34公里之間，但經過確認之後，1995 s1可能就是Atlas，1995 /s2可能是Prometheus，而不是新衛星。另外在八月十一日土星環再度消失時，天文學家又利用哈伯太空望遠鏡傳回來的四十八幀影像，再發現三個新衛星，1995s5～s7，其中的s7和s2(Prometheus)不能區別，可能又是同一個衛星，因此，土星的衛星總數可能達到廿二個了。雖然土星環大約每十五年就會消失一次，但在2009年以及2025年的土星環消失，從地球看去都很接近太陽，不容易觀測；因此下一次要再從地球觀察到土星環消失的現象，須等到2038年了。

□土星的衛星

□ 什麼是土星環剛好消失？多久會再發生一次？為什麼那麼難得？

　　土星繞轉太陽一週的週期大約是29.5年，它的環面與太陽的方向最大夾27.3度角，土星每繞轉太陽一週(29.5年)，它的環便有兩次側對太陽，此時從土星來看，太陽和地球的夾角不超過六度，又因為土星環是如此地薄，在地球上用小望遠鏡看來，好像消失了一般。

當土星繞轉太陽的半週期(每十五年)時，土星環可能會有一或三次的消失。當地球和土星幾乎準確地在太陽兩側時(也就是「合」的時候)，土星環可能只有一次消失；因為觀測土星非常困難。當地球和土星在太陽同側時(也就是「衝」的時候)，土星環可能會有三次消失。土星環消失一次的機會是47%，而消失三次的機會則有53%。

□為什麼土星環消失很重要？

　　1995到1996年的土星環消失，提供給未來發射卡西尼號太空船探測土星非常有用的寶貴資訊，例如：卡西尼號將準確地通過土星的外環，離土星2.67倍半徑，介於F和Ｇ兩環之間的軌道；因為對Ｇ環的觀測，可以幫助評估卡西尼號航行的風險。

當土星環側對地球時，亮度減低，可以看見靠近土星的暗物體，發現新的衛星。

＊發現新衛星的最佳時機。土星的第十三顆衛星就是在土星環消失的時候發現的。1995年五月廿二日，土星環消失時，哈伯太空望遠鏡發現四個可能的新衛星繞著土星運轉。

＊土星環消失時，土星的衛星將經常發生「衛星食」和「掩星」，可以精確測定發生的時間，提供製定所有衛星曆表的參考。

＊土星表面的雲層，將因土星環亮光的消失，而更容易觀測。

＊可以直接測量土星環的厚度。

＊可以直接從地球觀測到稀薄的Ｅ和Ｇ環；通常它們因為土星環的亮光，導致觀測上的困難。　

＊軌道最接近土星的四個小衛星：Prometheus、Pandora、Janus和Epimetheus，將被觀測得更精準。

＊當環消失時，可能觀測到環的黑暗面。

□1996年以後，何時將再發生土星環消失的現象？

　　土星環消失的現象，大約每十五年發生一次。下一次在2009年九月四日發生的單一土星環的消失將很難觀測。再下一次2025年三月廿三日也是單一土星環消失。若要再看到三次土星環的消失，可能要等到2038年了。

□其它的行星也有環嗎？

　　有的。除了土星之外，木星、天王星、海王星都有環。但，還是土星的環最大最亮。有一個共同的現象就是：有環的行星都是大行星。夠大的行星才有足夠的潮汐力，去撕碎進入洛希極限內的小星體，造成環。

□土星的環是怎樣行成的？

　　目前有三大理論說明土星環形成的原因：

理論一：當太陽系形成時，位在土星的洛希極限(Roche limit)

內殘留的物質，因為無法形成衛星而成土星環。

理論二：土星的中型衛星，因為引力而掉進土星的洛希極限內，

因而被土星的潮汐力撕碎成土星環。

理論三：衛星被隕石打碎之後，所殘留下來的物質形成土星環。

□什麼是洛希極限(Roche limit)？

　　在1848年，Edouard Roche 首先提出洛希極限的概念。洛希極限是一個物體接近另一個物體而不被潮汐力撕碎的最短距離。如果行星和衛星的密度相同，那麼洛希極限就是行星半徑的2.446倍，只要大的衛星跑到洛希極限之內運行，將被撕成小的碎片。地球的洛希極限是18,470公里，如果月亮冒險地跑到地球的洛希極限內運行，它將被地球的潮汐力撕碎，而且地球也將有環。

太陽系在外圍的四個大型行星，表面充滿氣體，都擁有「環」的系統，而且都在行星的洛希極限之內，它們的洛希極限分別是：

　　木 星－－175,000 公里

　　土 星－－147,000 公里

　　天王星－－ 62,000 公里

　　海王星－－ 59,000 公里

1992年的七月七日，「休梅克－李維九號」彗星因為進入木星的洛希極限之內，而被木星的潮汐力撕裂成廿一塊碎片，後來都撞上了木星。

□ 土星環是由什麼物質所組成？它的質點有多大？環的厚度又如何？

　　在地球上使用近紅外線的觀測結果，顯示：環的質點的表面主要都是冰，也有少量的矽酸鹽物質混在質點中。大部份環的質點，在一公分到五公尺的大小，也有可能達到幾公里大小。

其中有一個衛星Pan，在恩克(Encke)縫內運行，直徑廿公里；許多在環縫內的小衛星，還會陸續被發現。

　　土星環的厚度非常薄。從航海家二號傳回來的觀測顯示：土星環的厚度不會超過二十公里。

□什麼是土星環上「輻條(spokes)」形成的原因？

輻條是黑暗的輻射狀條紋，大約長二萬公里，存在於Ｂ環上的精細圖案。自從輻條被發現在土星環兩面之後，科學家認為微小的顆粒是帶電荷的，並且漂浮在環的平面上。航海家剛發現條輻的時候，看起來它的樣子違抗重力，使得科學家大感困惑。由於輻條的轉動速率和土星的磁場相同，因此後來它被認為是電磁力的作用所造成的。

□什麼是引導衛星(Shepherding moons)？

　　引導衛星是沿著土星環的邊緣繞轉的衛星。由於重力對它的影響，土星環保持有明顯和明確的邊緣；如果引導衛星不存在，那麼構成環的物質就有向外擴散的趨勢。如果環的兩面都有引導衛星在繞轉，環的兩面將被壓縮成很窄的地帶；航海家二號拍得Prometheus 和 Pandora 兩個衛星的影像，正引導土星狹窄的F環。

引導衛星的概念在1979年首度被Peter Goldreich和Scott Tremaine 提出來，以解釋天王星的環為何如此狹窄。航海家一號在1981年發現第一對引導衛星，Prometheus和Pandora 正引導土星狹窄的F環。航海家二號後來也在1986年發現天王星的引導衛星。1995年五月廿二日，當哈伯太空望遠鏡通過土星環的期間，又發現第三個引導衛星靠近F環在繞轉。

第三節　太陽系唯一有大氣層的衛星

－－泰坦(Titan)

□關於泰坦(Titan)

　　泰坦是土星最大的衛星，太陽系第二大的衛星，僅次於木衛Ganymede，比水星 (直徑4878公里) 還大，大氣比地球還濃。1655年三月為荷蘭科學家惠更斯(Christiaan Huygens)先生所發現。泰坦是太陽系第六個被發現的衛星，發現順序僅次於月亮和木星的伽利略四大衛星。泰坦的公轉週期大約十六天，因為它和月亮一樣，永遠保持一邊面對土星運轉，所以自轉週期也是十六天，這個事實已經被亞利桑那大學的Lemmon和他的同事們所確認。

有三件事，可以認定泰坦的形成時間和土星相同：軌道是圓的、幾乎在環的平面上運轉、公轉的方向和土星自轉的方向相同。

2004年，「惠更斯號探測器」將由卡西尼號太空船投射進入泰坦大氣，藉著降落傘登陸土星最大的衛星－－泰坦。惠更斯在科學的革命上，有諸多貢獻，其中之一就是用自己設計的望遠鏡發現土星環和即將登陸的衛星「泰坦」，探測器故以名之。

□惠更斯(Christiaan Huygens)小傳

　　惠更斯(Christiaan Huygens,1629-1695)先生是荷蘭的天文學家、物理學家、和數學家，出生於顯赫的荷蘭家族。該家族對「橘宮(House of Orange)」 有重要的外交貢獻，也熱衷於科學教育、文學和音樂。他不但發現土星環，也提出光波理論，對力學有重要的貢獻。

　　克里斯帝安(Christiaan)從小就展現對實際應用和工作機械有極大的興趣與天賦，他鑽研法律和數學，祖父有相當於名數學家笛卡兒(Descartes)的崇高地位，也深深影響了年輕的惠更斯。惠更斯在完成學業之後，寧可選擇從事科學的研究，來代替外交工作，父親更提供充分的經費，讓他致力於自然科學的研究；起初他把重點放在數學，但很快就包含了力學和光學的實驗，和弟弟Constantijn 合作製造顯微鏡和望遠鏡。

　　他發現一種磨光玻璃的方法，可以增進透鏡的透光效果，並且用他的新透鏡設計了更好的望遠鏡，在1655年的冬天發現了土星最大的衛星－－泰坦(Titan) ，並推算出它的公轉週期；同時提出土星可能有環的說法。次年，他得到獵戶座大星雲的成分，1659年他就發現了土星環。他從事天文星象觀測，需要使用精確的計時裝置，讓他又發明了鐘擺。

大約四十五歲，惠更斯奉派籌備「皇家科學院(Academie Royale des Sciences)」，也是第一位「主任」，他從事天文觀測，空氣唧筒的實驗，發表Traite de la Luminere——是一份描寫光波和脈動的光學理論，他也開始研究調諧振動(harmonic oscillation)，設計擺鐘，和用彈簧代替擺錘的時鐘，做關於自由落體運動的實驗，在空氣阻力下的拋體運動，他對於數學、天文學、時間測量、和光波理論的研究，都有重大貢獻。

他從事研究的領域相當寬廣；1689年，他應邀到倫敦演講他的「重力理論」時，碰到牛頓(Isaac Newton,1642-1727)，除了大力批判牛頓的重力理論外，還提出「光的波動理論」逐一反駁牛頓的「粒子學說」，這是物理史上重大的革命。最後由近代物理大師普朗克(M. Planck,1858-1947 德國人)和愛因斯坦(Albert Einstein,1879-1955德國人)分別發展出來的量子論和狹義相對論解決爭端，但已進入了廿世紀。

□泰坦的大氣

1944年，荷裔的美國天文學家柯伊伯(Gerard P. Kuiper)發表了一篇驚人的報告，標題是：「泰坦——一個擁有大氣的衛星」。轟動當時的天文學界，因為當時的天文學家認為衛星都是荒蕪的、沒有大氣的世界－－就像月亮。柯伊伯使用分光鏡偵測到在泰坦表面的氣態甲烷，那是甲烷氣體所造成的多種顏色的吸收光譜，證實大氣層存在的事實，厚厚的大氣層遮蔽了整個衛星。想像著甲烷氣體散射太陽光，會形成類似地球的藍天；想像著新月形狀、如鉤的土星高掛在泰坦的藍天上，還有薄薄的環側對泰坦，像極了「箭在弦上」的一幅圖畫。但是很不幸，來自泰坦的光線都被雲層或濃霧所遮蔽，使住在泰坦的人(如果可能的話)，完全看不到土星，當然也看不到漂亮的藍天了。泰坦大氣的厚度約有地球的十倍，表面的氣溫只有95K(攝氏-178度)。

泰坦的大氣物質，有下列說法：1.甲烷是大氣的主要成分，並且非常的薄。2.大氣的主要成分是氮，可能從泰坦的內部釋放出來，也許還滲有少部分的氫氣。3.形成橘紅色雲的物質，會發生化學反應造成化合物。4.理論學家認為泰坦的大氣層存在大量的氮氣，只是沒有被地球觀測到而已，濃度可能和地球的大氣相近。

它有許多方面和地球很相像，大小介於水星和火星之間，除了海王星的衛星Triton可能有大氣之外，它是太陽系唯一擁有豐富大氣的衛星，大氣壓力約10.9kg/cm2 ，比火星的五百倍還大(火星的大氣壓力約0.02kg/cm2) ，或比地球的十倍還大 (地球大氣壓力約為1kg/cm2) 。在1970年初和1980年末，先鋒號和航海家太空船分別飛經土星上空時，拍攝到外環有橘色的霧和散射的藍光，可以證明大氣的存在，並確定泰坦表面的大氣壓力只比地球的海平面多60%。 大氣成分以氣體氮為主，還有許多甲烷和乙烷，少量的氰化物，可惜沒有任何氧氣。它也是除了地球之外，唯一擁有海洋而且會下雨的星球，只不過它是甲烷和乙烷的海洋和雲層，氣壓低一點時，下的也是甲烷和乙烷的雨。

史密斯(Peter H. Smith)先生在檢視太空望遠鏡傳回來的照片後，認為至少有一些固體的表面。由於光化學的反應使甲烷扮演著重要的角色；泰坦的表面溫度很低，比-178℃還低，使水結成的冰塊比花崗石還硬，可能和地球上幾十億年前一樣，因為甲烷的上升，使大氣具備很強的還原性，在生命開始之前，氧氣會噴出來，進入大氣層。

□探測泰坦的表面

史密斯(Peter H. Smith)先生是亞利桑那大學月亮與行星實驗室的組長，他領導組員使用哈伯太空望遠鏡 (HST)上的廣角攝影機二號拍攝到泰坦的近紅外線照片，波長在二百萬分之一公尺左右，泰坦表面的霧允許這樣的波穿透過去，再根據反射回來的波繪製泰坦表面的特徵，但因極區的視角和靠近盤面邊緣的霧的厚度都太厚，不能用這個方法。因為泰坦表面濃厚的霧遮蔽了整個表面，只能看見幾個火山口露在雲端而已。

為了得到泰坦表面更詳細的構造，史密斯(Smith)至少用五十張照片，分析雲和風向，認為照片上較亮的區域有可能是撞擊過的坑洞，且布滿著冰和石塊，也可能是一個高地。在卡西尼號到達泰坦上空的前三週，太空船將釋放EAS提供的惠更斯號探測船，用降落傘登陸泰坦表面，而這些地點可以供作選擇降落地點的參考，也可以協助科學家了解風向，以利惠更斯號的降落。

　　1980年十一月十二日，航海家一號飛經泰坦的表面至少五百公里，探測船發射無線電波利用掩星法測知它的半徑，探測船的軌道因為重力偏向，可以得知它的質量，因此得到衛星的平均密度是1.92g/cm^3，暗示著泰坦內部的組成是由石塊(密度大約是3) 、水冰、甲烷冰、氨冰等，所混合而成的。

　　1997年十月六日，一座兩層樓高的太空船卡西尼號，將開始飛往土星的長途旅程，預訂在2004年抵達土星，並且用降落傘投射探測器惠更斯號登陸泰坦。屆時將傳回更多探測泰坦的最新資料，使我們更了解泰坦表面的各項結構。

□結語　　　

在很多角度來看，泰坦表面的環境類似原始地球的化學工廠，雖然生命未必緣於極冷的環境，但仍能提供對於地球早期化學變化的線索。卡西尼將在2004年到2008年間，從土星傳回大量的資訊，提供我們學習更多科學以及思考從原始太陽系到地球生命起源的資訊。

□泰坦小檔案

1.距離土星：1,221,830公里。

2.自轉週期：16天。

3.公轉週期：16天。

4.直徑 ：5140公里。

5.密度 ：1.92g/cm3(地球5.52)

6.質量 ：1.35×1023公斤。

□參考資料

1. A.E.Roy, D.Clarke:"Astronomy:Structure of the Universe" 3rd Edition, Reprinted 1990, Adam Hilger.

2. Four New Saturn Satellites Discovered, IAU Circular 6192、6243。

3. Terence Dickinson, "From the BIG BANG to PLANET X", Published by Camden House Publishing. ISBN 0-921820-71-2.

4. Ron Miller & William K. Hartmann, "The Grand Tour, A traveler's guide to the solar system." Workman Publishing, New York.

5. Jean Audouze & Guy Israel , "The Cambridge Atlas of ASTRONOMY", Cambridge University press, New York.

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本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/016a870d763231126edb11ac.html