土星最大的衛星土衛六雖然表面溫度更低，但其氣候在許多方面都與地球相似。它稠密的大氣層、甲烷雨和可能的冰火山活動共同形成了一種類似地球在更短的一年中所經歷的氣候變化模式，儘管涉及的材料並不相同。



溫度

土衛六接收到的陽光僅為地球的 1%，平均表面溫度約為 90.6 K（攝氏 - 182.55 度，或華氏 - 296.59 度）。在這種溫度下，水冰的蒸汽壓極低，因此大氣中幾乎沒有水蒸汽。但是，大氣層中的甲烷卻會產生明顯的溫室效應，使得土衛六表面的溫度比其它情況下的熱平衡溫度高得多。

土衛六大氣中的霧霾通過將太陽光反射回太空，使其表面比上層大氣層溫度低得多，從而產生出一種反溫室效應，在一定程度上抵消了溫室升溫，並使其表面比單純溫室效應所預期的氣溫要低一些。根據麥凱（McKay）等人的說法，「土衛六的反溫室效應使其表面溫度降低了 9K，而溫室效應使其升高 21K，淨效應是表面溫度（94K）比有效溫度 82K [即，在沒有任何大氣層的情況下達到的平衡] 高 12K」。



季節

土衛六相對於太陽的軌道傾角非常接近土星的軸向傾斜（約 27°），相對於其軌道的軸向傾角為零。這意味著入射陽光的方向幾乎完全由土衛六的晝夜循環和土星的年循環決定。土衛六的一天為 15.9 個地球日，即它環繞土星一周所需的時間。土衛六處於潮汐鎖定，因此土衛六的同一部分總是面朝土星，並且沒有單獨的「月」周期。

季節變化是由土星年驅動的：土星繞太陽一圈大約需要 29.5 個地球年，在土星年的不同階段，土衛六南北半球接受到太陽光照射量不同。季節性天氣變化包括冬季期間，北半球碳氫化合物湖的擴大；因大氣環流的變化導致春秋分前後霧霾的減少；以及南極地區相關的冰雲變化。上一次晝夜平分點發生在 2009 年 8 月 11 日，這是北半球的春分，意味著南半球的陽光越來越少，並逐慚進入冬季。

土衛六上的地表風速通常較低（<1 米 / 秒），最近的計算機模擬表明，在赤道地區，由大氣中傾瀉而下的煤煙狀物質形成的巨大沙丘可能緣自罕見的風暴，這種風暴在土衛六處於春秋分點時，每十五年才發生一次。風暴產生強烈的下沉氣流，當它們抵達地表時，以每秒 10 米的風速向東流動。2010 年末，相當於土衛六北半球的早春，在赤道沙漠地區觀測到了一系列的甲烷風暴。

由於土星軌道的偏心率，在南半球夏季，土衛六與太陽的距離縮小約 12%，使得南半球的夏季比北半球更短但更熱。這種不對稱性可能導致兩半球之間的拓撲差異 — 北半球有更多的碳氫化合物湖。土衛六上的湖泊基本平靜，幾乎沒有波浪或漣漪；然而，卡西尼號發現了北半球夏季湍流增加的證據，這表明在土衛六一年中的某些時候，地表風可能會增強，卡西尼號也看到了波浪和漣漪。



甲烷雨與湖泊

惠更斯探測器的發現表明，土衛六大氣層會周期性地將液態甲烷和其他有機化合物降落到星球表面。2007 年 10 月，觀察者們注意到赤道上都區上方雲層的不透明度明顯增加，暗示著有「甲烷細雨」，雖然這並非降雨的直接證據。但隨後一年多拍攝的土衛六南半球湖泊圖像顯示，它們被季節性碳氫化合物降雨擴大並注滿。土衛六表面的某些區域可能覆蓋了一層托林，但這一點尚未得到證實。降雨的存在表明，土衛六可能是除地球外，太陽系中唯一一顆可形成彩虹的天體。然而，鑑於大氣層對可見光的極不透明性，絕大多數彩虹只能在紅外波段才可看見。

土衛六南極附近可看到的甲烷湖數量明顯少於北極地區，由於目前處於南極夏季和北極冬季，一種新的假設是，甲烷雨會在冬季降落到兩極，並在夏天蒸發。根據科隆大學特蘇亞・圖卡諾（Tetsuya Tokano）的一篇論文，由這種蒸發驅動的氣旋，包括降雨以及高達 20 米 / 秒（45 英里 / 小時）的大風預計只在北半球夏季的整個大海域（克拉肯海、麗姬亞海和蓬加海）上空形成，持續時間長達十天。計算表明，隨著大部分湖泊所在的北半球進入漫長的土衛六夏季，風速可能會增加到 3 公里 / 小時，足以產生出波浪。自 2014 年以來，卡西尼號雷達及可見光和紅外測繪光譜儀多次觀測到波浪，這些波浪可能是由夏季風或潮流所產生。



循環

通過惠更斯號下降過程中採集的風速數據對全球風候的模擬表明，土衛六大氣層處在一種巨大的哈德里環流圈中循環。溫暖的氣體在土衛六南半球上升 —— 惠更斯下降期間正經歷夏季，並在北半球下沉，導致產生出從南向北的高空氣流和從北往南的低空氣流。如此巨大的哈德利環流圈只有在土衛六這樣緩慢旋轉的星球上才可能出現。兩極間的環流風似乎是以平流層為中心。模擬表明，在土衛六一年（30 個地球年）的過程中，這一環流應每 12 年改變一次，並有三年的過渡期。這種環流產生了一條全球低壓帶，實際上是地球赤道低壓帶（ITCZ）的變化。然而，與地球上的海洋將赤道低壓帶限制在熱帶地區不同，在土衛六上，赤道低壓帶會從一極漂移到另一極，並攜帶著甲烷雨雲。這意味著，儘管土衛六的溫度很低，但可以說它屬於熱帶氣候。

2012 年 6 月，卡西尼號在土衛六南極拍攝到一個旋轉的極地渦旋，成像團隊認為這與「極罩」有關 — 自 2004 年探測器到達北極以來，在北極上空可看到一片稠密的高空霧霾區。2009 年春分以後，南北半球正在經歷季節轉換，南極開始入冬，而北極進入夏季，因此推測假設，這一渦旋可能標誌著一個新的南極罩的形成。



雲層

土衛六的雲層可能由甲烷、乙烷或其他簡單有機物組成，它們分散而多變，點綴整個在霧霾中。

2006 年 9 月，卡西尼號在土衛六北極上空 40 公里處拍攝到一片巨大的雲層。儘管已知甲烷會在土衛六的大氣層中凝結，但云層更可能是乙烷，因為探測到的粒子大小只有 1-3 微米，乙烷也可以在這些高度凍結。12 月，卡西尼號再次觀測到覆蓋的雲層，並檢測到甲烷、乙烷和其他有機物。該片雲層直徑超過 2400 公里，在一個月後的一次飛越中仍然可見。一種假設是，北極目前正在下雨（或者，如天氣足夠冷的話，在下雪）。北部高緯度地區的下沉氣流很強，足以將有機顆粒推向地表。這是迄今為止有關長期來假設土衛六上存在「甲烷」循環（類似於地球的水循環）的最有力證據。

在南極地區也發現了雲，雖然通常只覆蓋土衛六盤面的 1%，但已觀察到爆發事件，雲層覆蓋率迅速擴大到 8%。一種假設認為，當土衛六夏季日照水平升高時，大氣氣流上升產生出對流，從而形成了南方雲層。但由於不僅夏至之後，而且在春季中期也觀察到了雲的形成，這一解釋變得複雜。南極甲烷濕度的增加可能是導致雲量迅速增加的原因。在 2010 年之前，土衛六南半球一直處於夏季，當時控制該衛星運動的土星軌道使北半球傾向太陽。當季節轉換時，預計乙烷將開始在南極上空凝結。

在土衛六上觀察到的雲團主要聚集區與研究模型非常吻合，並且雲層覆蓋率因距該衛星不同部分表面的高度而異。在極地區（緯度 60 度以上），對流層內和對流層上方出現了廣泛和永久的乙烷雲；而低緯度區，則在 15 到 18 公里高空之間發現了主要的甲烷雲，並且更為零星和局部。在夏季半球，頻繁、濃密但零星的甲烷雲似乎聚集在緯度 40 度附近地區。

地面觀測還揭示了雲量的季節變化。在土星 30 年的軌道運行中，土衛六的雲層系統似乎出現了 25 年，然後消失 4 到 5 年，之後再次出現。

卡西尼號還在土衛六高層大氣中探測到了極可能由甲烷所形成的高海拔白色捲雲。

雖然還沒有在土衛六上觀察到閃電活動的證據，但計算機模型表明，該衛星對流層低層的雲團可以積累足夠的電荷，從約 20 公里的高度產生閃電。土衛六大氣中的閃電有利於有機物質的生成。卡西尼號沒有在土衛六大氣層中探測到任何明顯的閃電信號，不過如果閃電太弱就可能無法探測到，但它們仍可能存在。最近的計算機模擬表明，在某些情況下流光放電（streamer discharges），可能會在土衛六上形成閃電的早期階段。



參考文獻