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太阳系中的大部分行星都带有某种大气层，许多行星具有动态大气系统。但在太阳系中只有一颗卫星——土星的大型卫星土卫六即泰坦——是有大气层的。
从2004年到2017年，卡西尼号宇宙飞船在环绕地球的轨道上给我们提供了土星及其光环与卫星的生动图像，这张照片拍摄到了土星光环前的泰坦。这颗卫星朦胧的大气层使它看起来像一个模糊的球，与土星锐利的光环形成了鲜明的对比。图片来自NASA/ JPL-加州理工学院 / 空间科学研究所
泰坦是土星最大的卫星，土星是太阳系外的第七颗行星。它也是太阳系中唯一已知有一层薄薄的大气的卫星，也是除了地球之外，唯一一颗表面有稳定液体的天体。泰坦有一种类似于地球的水文循环，液体从天上落下，流过卫星表面再蒸发回云层。我们对泰坦上的一些天气现象是很熟悉的，包括沙层暴和季风性降雨。地球大气层的78％是氮；泰坦的大气层氮含量则达到了98％。泰坦的气候受季节变化的影响。所以可以看到在某些方面，与泰坦大气层比较起来最为相似的，是我们最了解的地球大气层。
但地球与这颗遥远的土星卫星之间也存在着很多不同，表明我们在泰坦上感受到的天气会是多么的陌生和古怪。
泰坦距离太阳比日地距离远10倍，接收到的太阳能比地球少10倍。它的轨道大致沿着土星的赤道，绕日旋转倾斜角与土星大致相同。正如地球，土星和泰坦上的季节也由它们的倾斜角形成，这导致了在土星一年中，太阳对木星和泰坦不同半球的影响不同。土星29年环绕太阳一圈；因此，土星的一年相当与29个地球年，而土星和泰坦的一个季节持续了超过7个地球年。
所以泰坦上任何的天气变化都比地球上慢得多。
泰坦的春分（即当这个卫星的两个半球接收到的太阳辐射相等）每15年出现一次。泰坦上一个春分是在2009年。多亏了卡西尼号在图形上的探索，它在2004年到达土星，运行直到2017年，我们才能在2008年见证强烈的风暴越过泰坦，产生像雨一样落下的烟尘，在泰坦的表面上形成了沙丘的壮观场面。
大体上，现在认为，泰坦的风，花费一些年份反向变化（类似冬季变更到夏季）之前，每隔12地球年，点对点流动循环。
这段动画基于卡西尼号的视觉和红外测绘光谱仪在2009年和2010年几次飞越泰坦时拍摄的图像。这显示泰坦的赤道附近出现了清晰的亮点，科学家们将其解释为沙尘暴。这些明亮的光只在很短的时间内可见（从11小时到5个地球周），而且在这段时间之前或之后的图像中都不可见。图片来自欧洲航天局/美国宇航局/ JPL -加州理工学院/亚利桑那大学。
堆积在沙丘上的烟尘揭示了土卫六表面风的模式。图片来自美国宇航局/ JPL -加州理工学院/ASI/巴黎大学。
泰坦的冬至也是每15年一次。最近一次是在2017年，为泰坦的北半球带来了最漫长的夏季，为南半球带来了最短暂的冬季。美国宇航局为卡西尼号的第二次扩展任务制定的目标是让它在轨道上一直运行直到冬至，也就是2017年的5月，同时观察土星系统的季节变化。事实上，卡西尼的冬至任务就是卡西尼第二次扩展任务的名称，2017年9月，随着卡西尼号戏剧性地坠入土星的大气层而结束。
这就是为何我们知道这么多泰坦上季节和天气的信息！
多亏了卡西尼号，我们了解到泰坦的云层主要由甲烷和乙烷组成，它们都是碳氢化合物。不仅泰坦的云层是由甲烷组成，泰坦表面的湖泊也由甲烷组成。科学家们相信低温火山(冰火山)喷发并将甲烷排放到泰坦的大气中，然后这些甲烷就会随着雨水从大气表面倾泻而下，形成湖泊。
液态甲烷是泰坦天气和地表侵蚀背后的主导力量。在卡西尼号执行任务时，科学家们看到了泰坦湖泊表面的涟漪和波浪，这表明泰坦的夏天风可能会更大。因为泰坦的质量比地球小，重力比地球弱，所以泰坦湖泊的浪潮会比地球上的浪潮高七倍，而速度慢三倍！
这张近红外彩色图像显示了土卫六上的一个烃湖的反射。亮白色区域是湖面上的闪光。图片上的粉色是薄雾在湖面反射作用下的结果。在反射上方更模糊一点的粉色被用来表明这是在土卫六上看到的一个波浪。因此，第一个海洋表面的波浪在地球外被发现。图片由NASA、加州理工学院喷气式推进实验室、亚利桑那大学、爱达荷大学提供。
泰坦上降雨时，似乎在地表产生一种类似于季风的影响，倾盆大雨形成冲积扇。冲积扇是由水流甚至是冰川沉淀下来的沉积物构成的，大致呈三角形地貌。我们可以在泰坦、地球和火星上看到这些地貌特征。
然而泰坦上的倾盆大雨非常罕见。在泰坦上一年仅出现一次，相当于地球年的29年出现一次。
在2016年，卡西尼号拍摄到了覆盖4.6万平方英里（12万平方公里）的闪光点，这在之前和后续的照片中都没有出现过。卡西尼号似乎捕捉到了刚刚落下并流入附近的海妖湖中的液态甲烷雨水。这片湖是卡西尼号在2008年发现的，它是泰坦上最大的表面液体。
泰坦大气的一个独特特征是，结合了雨滴和阳光，它应该偶尔会出现彩虹。因为泰坦上的雨滴是由甲烷构成的，而液态甲烷的折射率与水不同，所以彩虹会比我们在地球上看到的更大。由于泰坦的浓雾，阳光很难穿透大气层；然而，另一种彩虹实际上更常见：红外线彩虹。
泰坦上的大气层在红外波长下基本清晰可见（这就是为什么卡西尼号可以很容易地通过它的红外摄像机看到土卫六的表面特征）。泰坦的造访者们可以用夜视镜看到这些红外彩虹。
在卡西尼号之前，我们对泰坦的观测只显示了它朦胧的大气层，掩盖了它的表面和地面上任何可能的活动。这个任务不仅在分析其元素和相互作用时剥离了这一层大气，而且还向我们展示了大气对这颗卫星表面的影响。
结论:土卫六是太阳系中唯一一颗有厚厚的大气层的卫星。它和地球一样有四季，而且它的循环与地球的水循环也相似。
作者：Kelly Whitt
FY：Astronomical volunteer team
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