金星與土衛泰坦的大氣

Posted on 2013/11/08 in 地球科學, 大氣, 大氣組成與結構 with 沒有迴響 4,412 views

金星與土衛泰坦的大氣
國立臺灣大學大氣科學系陳穎霖

地球大氣充滿許多有趣的天氣現象，皆肇因自水的相態變化。不禁讓人想問，在我們的太陽系中，是否也有其他的星體擁有類似的特性（能夠成雲降水，或是有其他物質相態的變化）？

一、金星──硫酸雨

金星(Venus)這個以美神維納斯命名的行星，是太陽系所有類地行星中質量大小最接近地球的，可以說和地球是孿生關係，同時也是所有行星中最亮的，肉眼亮度可至負四等。由於金星相當鄰近地球，所以科學家對其大氣瞭解較多，金星擁有比地球大氣更濃密、厚重的大氣，主要的氣體組成為二氧化碳、氮氣及二氧化硫，其表面大氣壓更高達92大氣壓，相當於地球海面下910公尺處的壓力；由於她濃密的二氧化碳大氣，導致失控（逃逸）的溫室效應，表面溫度可以高達攝氏470度。

目前認為金星的大氣有風、有雲也有降「水」，甚至觀測到劇烈的閃電現象。金星表面極高的溫度及壓力，使得表面的二氧化碳不再以二氧化碳氣體形式出現，而是超臨界流體，密度極高的流體，也讓極小的風速(通常0.3~1.0m/s)擁有能夠搬動表面沙塵、岩石碎屑的「風力」。金星高層大氣的成雲現象主要是由二氧化碳、二氧化硫、水蒸氣因光化學反應而形成大量的硫酸。

這濃密的「硫酸」雲層，甚至還會產生毛毛雨呢！不過從其大氣垂直溫度分布可推測(如圖一)，這些降水並不會真的落到表面，而是從高層大氣落下後在距地表25公里處便再蒸發了，所以金星上的雲比較接近地球上所觀測到的幡狀雲，而表面是相當乾燥。

圖一Wikipedia金星大氣圖

二、土衛泰坦──甲烷

泰坦一直是科學家抱持濃烈興趣的研究對象，因為他具有濃密的大氣，大氣成分主要是氮氣以及可能孕育生命的甲烷。泰坦是太陽系第五顆行星─土星的衛星，更是僅次於木衛三太陽系第二大的衛星。泰坦因為被土星潮汐鎖定，公轉和自轉期相同，接近十六天，表面溫度僅有攝氏-178度，表面底下有冰層，冰層下約有直徑3400公里的固體核心，由於壓力效應，內部仍保持炙熱狀態。

泰坦是太陽系除了地球以外唯一擁有濃厚氮氣大氣層的星球，其大氣層的自轉速度和金星一樣遠大於自轉速度。他的大氣層比地球更濃厚，表面氣壓約地球的1.45倍，在2、300公里高的地方，由光化學反應造成不透明的霾層阻擋了陽光的入射，使得泰坦大氣在大部分的波段下是不透明的，直到2004年卡西尼任務才首度獲得其表面直接的影像。

圖二、http://apod.nasa.gov/apod/ap120724.html
泰坦南極上的風暴

目前認為泰坦大氣有三種不同類型的雲：包括層狀乙烷雲、對流甲烷雲以及含氰化氫 (HCN) 和氰基乙炔 (HC3N) 的卷雲。儘管平常雲層覆蓋面積不到1%，有些突發事件曾觀測到雲層覆蓋到8%；這些不同型態的雲是如何形成的，是科學家們相當有興趣的課題。從太空船傳回的照片以及數值模擬結果顯示，大尺度的垂直對流是一個重要的條件，當泰坦的夏季來臨時，他的南極雲層可能因為劇烈對流而增加，而當垂直對流造成甲烷達到過飽和的狀態，就有可能因為甲烷─氮雙組份核化形成雲，或者有從高空下沈的托林 (tholin)粒子或乙烷冰晶，氣體凝結在這些粒子上形成雲滴。卡西尼‧惠更斯探測船的探測結果，更顯示泰坦的大氣層會定期下雨，將液態的甲烷及其他有機化合物洗除到地表，並形成甲烷湖。這些結果顯示泰坦上的甲烷在不同相態的循環，造成非常有趣的天氣現象。

科學家之所以關心這些天氣現象及相態變化，是因為地球能孕育生命就是有液態水的存在，劇烈天氣現象所伴隨的雷電巨大能量釋放，更在一些生化實驗中被認為能夠促成能形成生命簡單有機體的產生，在科幻小說中就一直存在對於甲烷、氨、甚至矽化合物構成生命的幻想，科學家也好奇泰坦上生命存在的可能，並認為泰坦是太陽系最有可能存在生命的衛星，土星探測的卡西尼任務中泰坦的觀測因而特別被重視！

參考資料