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正文 第22节

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  先对提坦进行佩振效应观测，是由约瑟夫维弗卡作的，观测表明，从提坦上反射回来的阳光，更象是从云层而不是从固体表面反射回来的。很明显，提坦的表面和较低层的大气，我们未能看见；我们所确实见到的是那不透光的云层和一层重叠着的大气层，以及在它上面偶尔现出的片状云层。由于提坦呈红色，我们看到的是它的云层，据此论据推测，提坦上必定有红色的云层。

  另一项支持这个概念的依据来自环绕轨道飞行的太空观察室的测量，其结果显示出，由提坦反射出来的紫外线辐射总量极低。保持提坦紫外光亮度微弱的唯一方法，是在大气压高处有吸收紫外线的东西。否则，由大气分子所致的“瑞利”散射光将使提坦在紫外线中变得明亮“瑞利”散射，即指蓝光优先于红光的散射，这就是地球上的天空呈蓝色的原因。

  但是，吸收紫外光和紫光的物质在反射光中呈红色。因此，覆盖提坦的广阔云层，有两条如果我们相信用手绘制的观测图的话，说它是三条也可以明显的分界线。这里的“广阔”是什么意思呢它意味着提坦的上空必定有百分之九十以上的部分有云层，这样才能与我们所掌握的偏振数据相吻合。提坦似乎被靉叇的红色云层覆盖着。

  1971年，出现了第二次令人惊奇的进展，当时，剑桥大学的da艾伦daallen和明尼苏达州立大学的tl默多克tlrd一ck发现，提坦发射着波长为1014微米的红外线，比我们所估计的太阳热能的红外线发射多两倍。由于提坦太小，它不可能有木星或土星那么巨大的内能源。唯一的解释似乎是温室效应，这种效应使得表面温度不断上升，直至慢慢泄漏的红外辐射与被吸收的可见光辐射量正好平衡为止。正是这种温室效应，使得地球的表面温度保持在零度以上以及使金星的表面温度高达摄氏480度。

  但是，是什么东西造成提坦的温室效应呢这不可能象是地球和金星上那样的二氧化碳和水蒸气，因为大部分这些气体在提坦上应当是被冻结了，据我计算的结果，几百个毫巴的氢气地球海平面上的总气压为1000毫巴就可产生足够的温室效应。由于这个数字大于观测到的氢气量，因此，那里的云层对于某些波长短的光线来说无法通过，而对于某些较长的光线则可以穿透。根据国家航空和宇宙航行局艾姆斯研究中心的詹姆斯波拉克jasp一lck的计算，几百个毫巴的甲烷也同样可以产生足够的温室效应，或许还可解释提坦的红外线发射光谱的某些细节。如此大量的甲烷也必定是藏在云层下面。这两种温室效应模型都只诉诸于被认为在提坦上存在的气体；当然，这两种气体是会起到一定作用的。

  另一种提坦大气模型，是由普林斯顿大学已故的罗伯特丹尼尔森r一bertdanieln和他的一些同事提出的。他们认为，已经观察到的提坦上部大气层中存在有诸如乙烷c乙烯和乙炔等少量的简单碳水化合物，能吸收来自太阳的紫外光线并对上部大气加温。所以，我们在红外线中所见到的是炽热的上部大气而不是提坦的表面。根据这个模型，那里就不会存在神秘的温暖地表，也不会有温室效应和几百毫巴的大气压了。

  哪一种观点正确呢目前谁也不知道。这种情况令人想起二十世纪六十年代初期有关金星的研究，当时已经知道该行星发射的光线温度很高，但对于那种发射究竟是来自炎热的表面还是来自炎热的大气区，曾经有过正当的激烈的争论。由于无线电电波能穿过一切最稠密的大气层和云层，因此，如果我们能掌握该卫星无线电亮度温度的可靠的测量数据，那么提坦的问题就可以解决了。康奈尔大学的弗兰克布里格斯frankbriggs利用弗吉尼亚西部格林班克国立射电天文台的巨型干涉仪，首次作了这样的测量。布里格斯发现，提坦表面温度为－140c，其误差幅度为45c。这个温度在没有温室效应的情况下，预计约为－185c。因此，布里格斯的观察，似乎表明那里有相当可观的温室效应的厚度较大的大气，但是，测量上出现误差的可能性仍然很大，致使温室效应成为零。

  此后，另外有两个射电天文小组观察出来的数值，与布里格斯所得的数值相比，有的偏高，有的偏低。较高的温度数字，高得令人吃惊，甚至接近地球上寒带的温度。观察所得的情况，如同提坦的大气一样，似乎是非常含糊不清的。如果我们能用雷达光学测量可以告诉我们从云层顶部到另一星球云层顶部的距离测出提坦固体表面的面积，问题就可解决。这个问题可能要等“旅行者号”考察组研究的结果，已计划在1981年发送两艘精密的宇宙飞船接近提坦其中一艘将非常靠近它。

  我们选择的无论哪一种模型，都与对红云的认识是一致的。但红云是由什么构成的呢如果我们用甲烷与氢气造成一种大气，并给它提供能量，那么，我们将可以制造出一系列有机化合物，既有简单的碳氢化合物象制造丹尼尔森氏大气上部转化层所必需的那类碳氢化合物，也有复杂的有机化合物。在我们康奈尔大学实验室中，比斯恩卡哈bishunkhare和我以模拟方式制造了存在于外层太阳系的这类大气。我们所合成的复杂有机分子，具有类似于提坦云层那样的光学性质。我们认为，有力的证据说明提坦上是有丰富的有机化合物的，并且，大气中含有简单的气体而在它的云层及表面上则存在着更为复杂的有机物。

  与提坦上有大量大气存在有关的一个问题是，由于重力低，轻质气体氢必定会拚命往外逸。对此，我能作出的唯一解释是，那里的氢处于“平衡状态”。这就是说，它不断外逸，但又不断从某种内源很可能是火山得到补充。提坦的密度是如此之低，以致它的内部必定几乎全都由冰组成的。我们可以把它视为一颗由甲烷c氨和冰水组成的巨大彗星。那里也必定有少量放射性元素的混合物，它们衰变着并使它们周围的环境变热。热的传导问题，已由马萨诸塞理工学院的约翰刘易斯j一hnleis解决了。很清楚，提坦内靠近表面的部分会呈粘稠状。甲烷c氨和水蒸气从内部逃逸出来，并且被太阳的紫外线分裂而同时产生大气氢和云层有机化合物。那里的表面，可能有由冰而不是岩石构成的火山，它们偶尔喷发出液态冰流而非液态岩石一种流动的甲烷c氨的熔浆，也许还有水。

  所有这类氢气的外逸，还带来另一个后果。大气分子从提坦外逸速度，通常不如从土星外逸速度大。因此，正如康奈尔大学的托马斯麦克多诺th一sd一n一ugh和已故的尼尔布赖斯neilbrice所指出的，从提坦流失的氢，将形成一种围绕土星的扩散性氢环或氢圈。这是一种非常有意义的预断，首先是针对提坦提出来的，但对其它卫星也可能适用。“先驱者10号”已经探测到了在木卫二附近有一个这样的氢环围绕着木星。当“先驱者11号”和“旅行者1号”c“2号”飞临提坦时，他们也许能探测出提坦的环来。

  提坦将是外层太阳系中最容易探索的天体。类似木卫二或小行星这样无大气的世界，存在着一个着陆问题，因为我们无法利用大气来制动。类似木星与土星的巨大世界，则有一个相反的问题：因重力而产生的加速度是如此之大，以及大气厚度的增加是如此之快，以致很难设计一种进入时不至焚毁的大气探测器。然而，提坦却有足够稠密的大气和足够低度的重力。如果它的距离再近一些的话，我们今天也许已经往那里发射探测火箭了。

  提坦是一个可爱的c难以捉摸和具有启示性的世界，我们突然认识到它是可以探索的；通过用宇宙飞船的靠近飞行，以确定它总的球面参数以及搜寻云层的裂口；通过将探测器发射进去以获取红云和不得而知的大气样品；以及用登陆方式去考察那个与我们所知道的天体皆不相同的表面。提坦给我们提供了研究各种有机化学的绝妙机会，可能正是这种有机化学才导致了地球生命的诞生。尽管它的温度低，但提坦上有生物存在，决不是不可能的。它的表面地质学，可能在整个太阳系中是独一无二的。提坦正在等待着

  第十四章行星上的气候

  造成地球气候捉摸不定变化的原因，是否就是那寂静肃默的高度

  罗伯待格拉维斯r一bertgraves相会

  人们认为，在三千万年到一千万年前，地球上的温度恰好以摄氏几度的速率缓慢下降，但许多植物和动物都具有自己的生命周期，以灵敏地适应这种温度的变化，而巨大的森林则向着低纬度的更热地带退缩。森林的这种退缩缓慢地改变了那些仅有几磅重的小皮毛双目生物的习性，这些小生物原来都栖息在森林里，用它们的臂膀从这一树枝攀缘到另一树枝上。随着森林的消失，只有那些在大草原上能够生存的毛皮生物才幸存下来。几千万年以后，这些生物留下两类后裔：一类包括狒狒，而另一类便叫做人类。我们之所以能生存下来，是由于气候变化平均只有几度的缘故。这些变化使一些物种生存下来而另一些物种归于消亡。我们这个行星上生命的特征，受到这些改变的强烈影响，而且事情变得日益清楚，气候的变化直到今天还在继续着。

  有许多方法可以指明，过去气候是变化的。有些方法可以探索遥远的过去，而另一些方法则只具有有限的适用性。方法的可靠性也不相同。有一种方法，可以有效地追溯到几百万年以前，它是基于在有孔虫类化石壳体的碳酸盐中同位素氧18与氧16的比率。这些壳体，属于跟我们今天所能研究的物种非常相似的物种。氧16与氧18之比按这些物种在其中生长的水的温度而变化。与氧同位素法多少类似的方法是建立在同位素硫34与硫32之比基础上的方法。还有另外一些更直接的化石指示法；例如，珊瑚c无花果树和棕榈树的广泛存在，则指示出是高温，而数目众多的大型皮毛兽，诸如猛犸之类的遗骸，则指示出是低温。地质记载提供了冰河存在的广泛证据巨大的能移动的冰层，留下了巨大的鹅卵石和冲蚀的痕迹。另有明显的地质证据表明，有许多蒸发河床即盐水已被蒸发而留下盐的地区。这种蒸发只有在温暖的气候下才会发生。

  当这一系列气候信息汇综起来，一个温度变化的复杂模式就显现出来了。例如，地球的平均温度始终没有一个时候处于水的冰点以下，而且甚至也没有一个时候温度接近于水的正常沸点。但几度的变化则是常有的，甚至二三十度的变化至少局部地发生过。摄氏几度的波动，在几万年特征时间发生过多次，冰期和间冰期新近更替就具有这一特征时间和温度幅度。但也有更长周期的气候波动，最长的周期达几亿年数量级。温暖期似乎存在于约六亿五千万年前和二亿七千万年前。依照过去气候被动的标准，我们现在处于冰期中。就地球大部分历史而论，并没有象今天的南极和北极那样的“永久的”冰封期。过去的几百年，我们部分出现了冰期时代，由于迄今未明的原因，造成了较小的气候变化；如果从无限追溯地质时代的观点来看，我们又可能退回而陷入到全球性寒冷的时代，成了我们这个时期的特征。二百万年前，芝加哥市所在地还被埋在一英里厚的冰层之下，这决不是夸大其事。

  地球温度是由什么决定的呢从太空的角度看，地球是一个旋转着的蓝色球，伴有变化多端的片片云层，红棕色的沙漠和光亮白色的极冠。加热地球的能量，几乎无例外地来自太阳光，从地球的炽热内部传导上来的能量，总起来还不足来自太阳以可见光形式达到的百分之一的千分之一。但不是所有的太阳光都被地球吸收。有些通过地球表面上的极冰c云层以及岩石和水而被反射回太空中。地球的平均反射率，或反照率，通过从卫星上的直接测量和从地照反射出月球暗面的间接测量结果表明，大约是百分之三十五。百分之六十五的太阳光被地球吸收，以加热地球而达到已能容易地计算出来的温度。这个温度约为－18c，它在海水的冰点以下，比已测定的地球平均温度要冷30c左右。

  这种不符是由于这种计算忽略了所谓的室温效应而造成的。从太阳来的可见光进入地球纯净的大气并由此被传入地球表面。然而，在力图辐射回太空的表面，受到在红外线中辐射的物理规律所约束。大气在红外线中不易透进，而某些波长的红外辐射诸如62微米或15微米辐射只能穿过几厘米，就被大气气体吸收了。由于地球大气是浓密的。能吸收红外区的许多波长，因此，由地球表面发出的热辐射被阻止逸入太空。为了在地球从太阳接受的辐射与由地球发射到太空的辐射之间具有接近的等值，地球表面温度就必定要升高。室温效应不是由于地球的主要大气成分，诸如氧和氮引起的，而差不多毫无例外地是由于次要成分，尤其是二氧化碳和水蒸汽造成的。

  就我们所知，金星这颗行星也许就是一个例子，在那里大量的二氧化碳和少量的水蒸汽进入行星的大气中，从而导致这样一种巨大的室温效应，以致水不能以液态留在表面上；所以，行星温度猛烈上升到一个极高值在金星的情况下，这个值是480c。

  迄今为止，我们一直谈的是平均温度。地球温度处处都不相同。极地比赤道地区要冷，一般说来，这是因为太阳光直射在赤道而斜射在极地上。地球上赤道和极地之间温度非常不同的趋势是由大气循环加以调节的。赤道区的热空气上升并在高空中移向两极，在两极下降并返回地球表面；接着又循此老路折回，不过这次是低空从极地返回赤道。由于地球的旋转c地球的地形和水的相变而使之复杂化的这种总的运动，是影响气候的因素。

  今日地球上观测到的平均温度约是15c，这个温度通过观测太阳光强度c全球反照率c自转轴的倾斜以及室温效应而能获得相当满意的解释。但是所有这些参数原则上都是变化的；并且过去或未来气候的变化，都能归咎于其中任一项的变化。事实上，关于地球上的气候变化，几乎有上百种不同的理论，甚至今天对这一课题还很难表明有一致的意见。这不是因为气候学家天生无知，或天生爱争执，而是因为这个问题极端复杂。

  负反馈和正反馈两种机制都可能存在。例如，假设地球温度降低了几度。大气中的水蒸汽量几乎完全由大气决定的，随着温度下降，就出现下雪，从而阻止了温度的下降。大气中水减少，意味着室温效应变小，也意味着温度的进一步降低，而这甚至可能导致大气水蒸汽的减少，如此等等。同样，温度下降可能使极冰的量增加，从而增加了地球的反照率并使温度继续进一步下降下去。另一方面，温度下降可能降低了云层的量，这会降低地球的平均反照率并使温度增加或许足以补偿最初的温度降低。新近人们提出了这样的假设，即地球这颗行星的生物起着一种恒温器的作用，以阻制温度太极度的偏离而可能会给全球生物带来有害的后果。例如，温度下降可能造成耐寒植物的增加，以致使广大的地面被覆盖并降低了反照率。

  有三种更流行c更有趣的气候变化理论应当被提到。第一种包含各种天体力学可变量的变化。这些可变量有：地球轨道形状c地球自转轴的倾斜，以及由于地球和附近其他天体的相互作用而在长时间内使地球的岁差完全改变。对这些改变程度的详细计算表明，它们至少能影响几度的温度变化，由于存在着正反馈的可能性，这本身对于解释主要的气候变化也许是适当的。

  第二类理论涉及反照率变化。这些变化的一个更显著的原因是大量尘埃被喷入地球大气中例如象1883年喀拉喀托火山爆发中喷出的尘埃进入大气中。鉴于对这些尘埃是使地球变热抑或变冷问题尚有某种争论，所以，目前的大量计算表明，那些细微颗粒非常缓慢地离开了地球同湿层，增加了地球的反照率，从而使地球变冷。新近的沉积学有证据表明，过去火山细粒广泛产生的时代在时间上正好对应于过去冰河期和低温时期。此外，地球上不时的造山运动和陆地表面的创造，而陆地比水亮度要大，因而增加了全球的反照率。

  最后，还有一种太阳亮度变化的可能性。我们从太阳演化理论知道，几十亿年中，太阳正在逐渐变得明亮起来。这对最远古的地球气候学来说，立即提出了一个问题，因为太阳在大约三c四十亿年前比现在应该暗30或40；而且甚至连同室温效应在内，这种暗度足以导致全球温度比海水的冰点要低得多。然而，有广泛的地质证据例如，水底微波状物的标记c由海底岩浆淬熄骤冷而产生的枕状火山岩，以及由海藻产生的叶绿体化石都表明，那时确有充分的水无疑。消除这种矛盾的一种假设方式是这样一种可能性，即：在地球早期大气里有一些附加的温室气体尤其是氨使之增加到所需要的温度。但除了太阳亮度这种非常缓慢的演变之外，是否可能有较短期的气候波动存在呢这是一个重要的但却尚未解决的问题，不过新近遇到的寻找中微子的困难按照现今流行的理论，中微子应从太阳内部发射出来，已导致了一种暗示，表明太阳目前处于一个反常暗淡时期。

  气候变化的形形色色模型之间加以区别是很难的，这也许似乎仅仅是一种不常有的令人烦恼的智力问题除了那些看来对气候变化有某些实际的和直接的结果之外。关于全球温度趋势的某些证据似乎表明，从工业革命到1940年前后全球温度是非常缓慢地增高，而其后却有一个惊人的骤然下降。这种情况的出现已归咎于矿物燃料的燃烧，它带来了两个后果释放二氧化碳它是一种温室气体到大气中，与此同时，也使未燃尽的燃料微粒进入大气中。二氧化碳使地球变热；微粒则由于它们的较高反照率而使地球变冷。情况也许就是，1940年前，温室效应占上风，而从那时以后，已增加的反照率占主导地位了。

  人类活动可能无意地引起了气候的改变，这种不祥的可能性，使行星气候学显得颇为重要了。在行星上，随着气温下降存在着令人担忧的正反

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