土星卫星 Titan 的天气报告：局部多云，偶有甲烷阵雨

使用来自 NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope（詹姆斯·韦伯太空望远镜）和 Keck II telescope（凯克II望远镜）的数据，天文学家在 Titan（泰坦）的北半球发现了云层对流的证据。 Titan 的大多数湖泊和海洋都位于该半球，并可能由偶尔的甲烷和乙烷降雨补充。 Webb 还探测到一个关键的含碳分子，它为了解 Titan 复杂大气中的化学过程提供了线索。

这些是2023年7月11日由 Webb（上排）和 2023年7月14日由 Keck II telescope（下排）拍摄的 Titan 图像，显示了出现在 Titan 北半球不同高度的甲烷云（白色箭头）。图片来源：NASA / ESA / CSA / STScI / Keck Observatory。

Titan 是一个被淡黄色烟雾笼罩的迷人世界。 与地球类似，其大气主要由氮气组成，并且有天气，包括云和雨。

与地球的天气由水的蒸发和凝结驱动不同，寒冷的 Titan 有一个甲烷循环。

它从地表蒸发并上升到大气中，在那里凝结形成甲烷云。

偶尔会以寒冷、油腻的雨水形式落到坚固的表面上，那里的水冰像岩石一样坚硬。

“Titan 是我们太阳系中唯一一个拥有像地球一样天气的地方，就好像它有云并降雨到表面上一样，” NASA’s Goddard Space Flight Center（美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心）的天文学家 Conor Nixon 博士说。

Nixon 博士和他的同事使用 Webb 和 Keck II telescope（凯克II望远镜）于 2022 年 11 月和 2023 年 7 月观测了 Titan。

这些观测不仅显示了 Titan 中北部和高纬度地区的云——这是目前正值夏季的半球——而且还显示这些云随着时间的推移显然正在上升到更高的高度。

虽然之前的研究已经观察到南部纬度地区的云层对流，但这是首次在北部看到这种对流的证据。

这一点非常重要，因为 Titan 的大多数湖泊和海洋都位于其北半球，而湖泊的蒸发是甲烷的一个主要潜在来源。

在地球上，大气或对流层的最底层延伸到大约 12 公里的高度。

然而，在 Titan 上，其较低的重力允许大气层膨胀，对流层延伸到大约 45 公里。

Webb 和 Keck 使用不同的红外滤镜来探测 Titan 大气中的不同深度，使天文学家能够估计云层的高度。

研究人员观察到，在几天的时间里，云层似乎移动到了更高的高度，尽管他们没有直接观察到任何降水发生。

ESA（欧洲航天局）的研究员 Thomas Cornet 博士说：“Webb 的观测是在 Titan 北方夏季末进行的，我们无法通过 NASA/ESA 卡西尼-惠更斯任务观测到这个季节。”

“结合地面观测，Webb 正在为我们提供关于 Titan 大气层的珍贵新见解，我们希望将来能够通过 ESA 可能执行的访问土星系统的任务更近距离地进行研究。”

尽管 Titan 的温度低至零下 180 摄氏度，但由于其复杂的有机（含碳）化学成分，它是一个具有高度天体生物学意义的物体。

有机分子构成了地球上所有生命的基础，研究像 Titan 这样的世界的有机分子可能有助于科学家了解导致地球生命起源的过程。

驱动 Titan 大部分化学反应的基本成分是甲烷。

Titan 大气中的甲烷被阳光或来自土星磁层的带电电子分解，然后与其他分子重新结合，形成像乙烷这样的物质以及更复杂的含碳分子。

Webb 数据为了解化学过程提供了一个关键的缺失环节：明确检测到甲基自由基 (CH3)，它是甲烷分解时形成的。

检测到这种物质意味着科学家可以首次看到 Titan 上的化学反应，而不仅仅是起始成分和最终产品。

NASA’s Goddard Space Flight Center（美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心）的研究员 Stefanie Milam 博士说：“我们第一次可以一边看到化学蛋糕在烤箱里膨胀，而不是只看到面粉和糖的起始配料，然后是最后加了糖霜的蛋糕。”

这种碳氢化合物化学对 Titan 的未来具有长期影响。

当甲烷在上层大气中分解时，其中一些会重新结合形成其他分子，最终以一种或另一种化学形式出现在 Titan 的表面，而一些氢气则会从大气中逃逸。

因此，除非有某种来源可以补充甲烷，否则甲烷会随着时间的推移而耗尽。

火星上也发生了类似的过程，水分子被分解，由此产生的氢气流失到太空。 结果就是我们今天看到的干燥的沙漠星球。

Nixon 博士说：“在 Titan 上，甲烷是一种消耗品。”

“有可能它在数十亿年的时间里不断地被补充，并从地壳和内部冒出来。”

“如果不是这样，最终它将全部消失，Titan 将变成一个主要由尘埃和沙丘组成的无空气世界。”

该研究结果发表在《Nature Astronomy》杂志上。

C.A. Nixon et al. The atmosphere of Titan in late northern summer from JWST and Keck observations. Nat Astron , published online May 14, 2025; doi: 10.1038/s41550-025-02537-3