土卫二的地形地貌

土卫二是土星的第六大卫星，由威廉·赫歇尔于1789年发现。在20世纪80年代旅行者号探索土星之前，人们只知道土卫二是一个被冰覆盖的卫星。旅行者号显示土卫二的直径约为500公里(相当于土星最大卫星土卫六直径的十分之一)，其表面反射几乎100%的阳光。旅行者1号发现土卫二的轨道位于土星E环最密集的部分，这表明两者之间可能存在某种联系。另一方面，“旅行者2号”发现，尽管这颗卫星体积很小，但它的表面不仅有古老的陨石坑结构，还有由地质活动引起的更年轻的扭曲地形结构，其中一些地质年龄甚至达到了1亿年。

为了探索土卫二，美国宇航局在20世纪末发射了卡西尼号宇宙飞船，并在21世纪初到达土星附近，为科学研究提供了大量数据。研究表明，土卫二是太阳系外迄今为止观察到地质喷发的三颗恒星之一(另外两颗分别是木卫一和木卫一)。分析表明，喷出的物质是恒星表面下的液态水。与此同时，在喷出的羽流中也发现了奇怪的化学成分，因此土卫二也被认为是天体生物学的一个重要研究对象。2015年3月，东京大学、日本海洋研究开发机构以及欧洲和美国的其他国际团队在土星卫星土卫二上发现了一个热水环境。这是人类第一次在太阳系找到地球以外的生存环境。

地形学

尺寸和形状

土卫二是一颗相对较小的卫星，平均直径为505公里，仅为月球直径的七分之一。它略小于不列颠岛的最大长度，其大小与不列颠岛相等。亚利桑那州和科罗拉多州也可以容纳卫星。然而，它的球体面积比上述面积大得多。其面积为80万平方公里，相当于莫桑比克的陆地面积。它比德克萨斯大15%。土卫二的质量和直径排名第六，仅次于土卫六(5150公里)、土卫五(1530公里)、土卫五(1440公里)、土卫五(1120公里)和土卫六(1050公里)。它也是土星拥有的最小的球形卫星之一。除了土星和土卫二(390公里)，所有其他的小卫星形状都不规则。

事实上，土卫二是一个扁平的椭球体。根据卡西尼发回的照片，估计土卫二的三轴长度为513(a)×503(b)×497(c)公里，其中(a)是面向土星和背离土星的两极之间的距离，(b)是恒星凹极和凸极之间的距离，(c)是南极和北极之间的距离。土卫二绕其短轴旋转，而其长轴径向偏离土星。

表面

1981年8月，“旅行者2号”在人类历史上首次近距离观察了土卫二。在分析了所获得的图像信息后，科学家们发现了至少五种不同的地形，包括撞击坑地形和平坦地形(较年轻)，而在平坦地形附近，往往分布着山脊，还观察到大量的线性地裂缝和悬崖。鉴于撞击坑分布在平坦区域的数量很少，科学家推测这些平坦区域可能只形成了数亿年。因此，在相对较短的地质时期内，土卫二上一定发生了“水火山”等地质活动，从而使原本千疮百孔的表面变得像以前一样光滑。固态水(冰)极大地改变了土卫二的表面，使其成为太阳系中反射性最强的天体。它的几何反照率高达138%。因为它反射太多的阳光，所以它平坦表面的夜间温度只有-198℃(比其他土星卫星要冷)。

卡西尼号于2005年2月17日、3月9日和7月14日三次飞越土卫二，观察了土卫二表面的更多细节。例如，“旅行者2号”观测到的平坦地形实际上是撞击坑相对较少的一些区域。这些地区也分布着山脊和悬崖。与此同时，在地质年代相对较早、陨石坑密集的地区，发现了大量地裂缝。这证明在形成了大量的撞击坑之后，这个地区也经历了强烈的地质运动。此外，在过去航海家2号没有详细调查的地区，也发现了一些年轻的地形，如南极附近的一个奇怪的地形。从土星卫星土卫二喷射出的水冰喷射似乎越过了土星的光明面。这张照片是由美国宇航局的卡西尼号宇宙飞船拍摄的。事实上，土卫二的轨道距离土星大气顶端约112，000英里(180，000公里)。土卫二的冰冷间歇泉是在2005年发现的。它们位于地球南半球的断层带。据信它们的喷射力来自表面下的液态水层。

撞击坑

撞击坑是太阳系许多天体上常见的现象。土卫二的许多区域被不同分布密度和破坏程度的撞击坑所覆盖。根据旅行者2号的观测结果，科学家们根据环形山的分布密度将环形山分为三种类型。虽然ct1和ct2的损坏程度不同，但它们都包含大量直径为10-20公里的撞击坑。Cp是一个平坦的区域，有少量的冲击坑。这种基于陨石坑密度(和相关表面年龄)的陨石坑地形细分支持了土卫二经历了多阶段表面重塑的观点。

最近的卡西尼号观测提供了关于ct2和cp地形单元的更详细的信息。这些高分辨率照片显示，土卫二的许多环形山被粘性崩塌和结构裂缝严重破坏。粘性塌陷是由重力引起的水冰对撞击坑和其他地形的破坏。这个过程需要很长的地质时间，最终会使这个地区的地形变平。这种作用的效果取决于冰的温度，因为温度较高的冰比温度较低、质地较硬的冰更容易损坏。经历过粘性塌陷的撞击坑通常有一个凸起的底部，有时只剩下一圈坑边。图8左上角的大型撞击坑——达雅扎德撞击坑的凸形底部是粘性崩塌的一个例子。此外，土卫二表面的许多环形山也被结构裂缝严重损坏。照片底部从中间到右边直径近10公里的撞击坑证明，一条只有几百米到一公里宽的细长裂缝严重损坏了撞击坑的边缘和底部。到目前为止，几乎所有位于ct2地形单元的撞击坑都有结构变形的迹象，粘性崩塌和结构裂缝的影响已经证明，尽管撞击坑地形区是土卫二上最古老的地质区，撞击坑保留率最高，但几乎所有撞击坑都处于某种破坏阶段。

地质结构

旅行者2号在土卫二上发现了几个地质结构，包括波谷、悬崖和山脊。最近卡西尼号的观测表明，改变土卫二地貌的主要方式是构造作用。在土卫二上发现的更有趣的地质结构之一是裂谷。这些峡谷可以延伸到200公里长，5-10公里宽，1公里深。图7显示了典型的大裂缝切割具有较老地质年龄和结构损伤的区域。该地质结构也显示在图8的底部。裂缝是一个相对年轻的地质结构，因为它通常显示切割其他地质结构，而裂缝的两个壁有突出的露头。

土卫二上构造作用的另一个例子是凹槽结构，它由一系列弯曲的凹槽和脊组成。这种条纹状结构是航海家2号首次发现的，通常是平坦地形和陨石坑地形之间的分界线。这种地质结构可以在图6和图10中看到(图10中的撒马尔罕海沟)。这种沟状地形很容易让人联想到欧洲的类似地形。然而，土卫二的凹槽结构比后者更复杂:木卫二上的凹槽平行排列，而土卫二上的凹槽排列杂乱无章，形状大多呈锯齿状。有趣的是，卡西尼号在观察撒马尔罕海沟时发现了一些黑点(直径125-750米)。它们平行排列在沟渠旁边。据推测，这些黑点是该地区的陷阱。

此外，土卫二表面有许多地质结构。图9显示了卡西尼号发现的一个狭窄的断裂地形(通常有数百米宽)。这些裂缝通常贯穿撞击坑的地形，深度只有2米。这些裂缝中的许多受到冲击坑在形成过程中产生的微小表层土壤的影响，导致裂缝方向频繁变化。

平坦地带

旅行者2号在土卫二表面发现了两个平坦的地形。这些地形起伏较小，冲坑数量少于冲坑地形，表明地质构造形成较晚。典型的锡兰平原没有照片中可见的撞击坑。另一方面，在锡兰平原的西南部，另一个平坦的地形被几个凹槽和悬崖纵横交错。此后，卡西尼号还观察了这些平坦的地形，包括锡兰平原和蒂亚平原，并拍摄了高分辨率照片。这些照片显示地形实际上布满了较低的山脊和浅裂缝。目前认为裂纹是由剪切变形引起的。在锡兰平原拍摄的照片显示，该地区仍有一定数量的小型撞击坑——根据这些撞击坑，该地区表面的年龄从1.7亿年到37亿年不等，这取决于撞击坑的分布。

卡西尼号在土卫二表面观测区域的扩大使得我们能够发现更加平坦的地形，特别是在土卫二朝向轨道运动方向的球面上。这些地形布满了无数的凹槽和山脊，类似于南极地区的变形结构。这些地形位于锡兰和蒂亚平原球体的相对两侧，表明该地区受到土星重力潮汐的影响。

南极地区

2005年7月14日，科学家在卡西尼号飞越土卫二时拍摄的照片中发现了南极地区的一个特殊区域，该区域导致了结构变形。该区域位于北纬60度地区，到处是裂缝和山脊，还有少量微撞击坑，这表明这是土卫二表面最年轻的地貌，也是所有中型冷冻卫星上最年轻的地貌。撞击坑的结构表明，该地区的一些地区可能只有5万年甚至更年轻。在该区域的中心附近有四个断裂带和许多山脊——这些山脊非正式地被命名为“老虎条纹”这些裂缝可能是该地区最年轻的地质构造。薄荷绿和粗糙纹理的冰体分布在它们周围——这些冰体经常出现在岩石露头或其他区域的裂缝壁上。在该区域的平坦区域也发现了“蓝色”冰，这表明该区域太年轻，尚未被来自E环的细粒冰体覆盖。可见光和红外测绘光谱仪(VIMS)的探测结果表明，“虎皮纹”周围分布的绿色物质在化学结构上不同于土卫二的其他表面物质，在“虎皮纹”中发现了透明的冰体，这表明地质结构非常年轻(可能不到1000年)，或者地质结构表面的冰体最近受到热源的影响。此外，该仪器还在“虎皮标记”中检测到相对简单的有机化合物，这是首次在卫星上发现。

在7月14日的飞越中，卡西尼号观察到南极地区的一个“蓝色”冰区，并拍摄了高分辨率照片。照片显示，该地区存在严重的地质变形，并发现一些直径为10-100米的巨石。

土卫二的南极区域被一系列平行的Y形和V形山脊和山谷所包围。这些山脊和山谷的形状、方向和位置都表明它们是由土卫二的整体变形造成的。最近，有两种理论来解释这种地形变形的形成。首先是土卫二围绕土星的轨道收缩，导致土卫二的转速增加，进而导致土卫二旋转轴的调整。第二种理论认为，从土卫二内部喷射出的大量温暖的低密度物质导致了土卫二南半球的地形从中纬度地区向高纬度地区转移。因此，土卫二的椭球将因这一变化而相应调整。根据旋转轴变化理论推导出的结果之一是，在土卫二的北极和南极都发生了类似的地形变化。然而，与推论相反，土卫二的北极地区被撞击坑密集覆盖，在地质年代上比南极地区要古老得多。土卫二地壳的不均匀厚度可以解释这种差异。南极区域边缘的Y形和V形地形与邻近南极区域的地质年龄之间的相关性支持了地壳厚度的这一变化:Y形、不连续地形和贯穿南北的断裂带都是较年轻的地形，据推测，与这一地形相对应的地壳厚度较薄。V形地形与地质年代较老、冲击坑分布密集的地区相邻。

冰火山

20世纪80年代早期，“旅行者”号观测到土卫二后，科学家们认为这颗行星上可能有地质活动，原因如下:年轻、高反射率的表面及其在E环核心区的位置。土卫二和E环之间的联系让科学家们怀疑土卫二是E环上散布物质的来源——也就是说，从土卫二内部喷射出来的水蒸气最终形成了E环。然而，“旅行者”号的观测未能提供土卫二今天仍然活跃的确凿证据。

然而，卡西尼号后来携带了各种仪器。通过对这些仪器的观察，科学家们最终发现土卫二有冰火山脉，这些冰火山脉喷出水和其他挥发性物质，而不是硅酸盐石头。2005年1月和2月，卡西尼号的成像科学子系统(ISS)首次观测到了从南极土卫二区域喷射出的微小冰晶羽流。在2005年2月17日的飞越过程中，磁力计观测到的土卫二大气数据也证明了成像科学子系统以前观测到的现象是真实的——数据显示，土卫二附近的离子回旋波能量在当时有所增加。离子回旋波是离子和磁场相互作用的产物。物质的成分可以通过测量离子回旋波的频率来确定——经过测量，这种物质就是离子化的水蒸气。在接下来的两次飞越中，磁力计发现土卫二大气中的大多数气体都集中在南极地区，而其他地区的大气浓度相对较低。在2月17日和7月14日的飞越期间，紫外摄谱仪(UVIS)观测到了两次掩星。在二月的飞越中，紫外摄谱仪未能在土卫二的赤道区域找到大气的证据，但是在七月的飞越中探测到了水蒸气以观察掩星现象。

卡西尼号意外地通过了一个气体云、一个离子和中性粒子光谱仪(INMS)和一个宇宙尘埃分析仪(CDA)，直接获得了羽流的样本。离子和中性粒子光谱仪已经确定了气体云的物质组成，并发现其中大部分是水蒸气，含有少量的分子氮、甲烷和二氧化碳。宇宙尘埃分析仪发现“土卫二越近，微粒物质的数量就越多”，这证明土卫二确实是E环物质的主要来源。来自离子和中性粒子分光计和宇宙尘埃分析仪的数据表明，卡西尼号穿过的气体云确实是来自冰与火山脉的富含水分的羽流，它源自南极地区的喷射口。

2005年11月，这种弹射活动得到进一步证实。成像科学子系统捕捉到了类似于土卫二南极区域喷泉的冰晶喷射活动。(事实上，卡西尼号已经在2005年2月拍摄了羽流，但仍有必要进一步研究高相位角照片——即太阳在土卫二后面时拍摄的照片——以真正确认它的存在。这些照片也需要与其他土星卫星的高相位照片进行比较。11月的观测结果显示了羽流的完整结构，并发现羽流由几个独立的喷出物组成(可能来自几个不同的喷出物)，并延伸到离卫星表面近500公里的区域。这一观察使土卫二成为第四个被证实有火山活动的太阳系物体，前三个是地球、海卫一和木卫一。2007年10月，当成像科学子系统观察到尘埃喷射活动时，紫外摄谱仪也观察到气体喷射活动。

2008年3月12日的飞越为卡西尼号提供了进一步观察的机会。观察表明，烟羽含有更多的化学物质，包括简单和复杂的碳氢化合物，如丙烷、乙烷和乙炔。这一发现提高了土卫二表面生命的可能性。卡西尼号上的离子和中性粒子分光计测量了羽流的物质组成，发现它与大多数彗星相似。各种观测仪器的观测结果表明，在南极的恩克拉多斯地区，从压缩的地下洞穴中喷出的羽流的活动类似于地球上的喷泉。由于离子和中性粒子光谱仪和紫外光谱仪都没有在喷射出的物质中发现可以防止冻结的氨，科学家预测温度至少为零下3摄氏度的液态水和接近纯水将流入土卫二下方的加热加压室，如图13所示。将冰融化成纯水比融化氨混合物需要更多的热量。这种热量可能来自重力潮汐能或辐射源产生的能量。产生羽流的另一种方式是土卫二上温暖冰的升华。在2005年7月14日的飞越中，卡西尼号上的红外成分光谱仪(CIRS)在南极附近发现了一个温暖的区域。这个区域的温度达到了85-90开尔文，在某些区域甚至达到了157开尔文(零下116摄氏度),这比接收太阳光辐射的表面产生的温度高得多，表明这个区域被土卫二的内部热源加热。在这种温度下，这个地区的冰比其他地区的冰升华得更快，并产生羽流。这一假设受到了更多的关注，因为如果加热表面冰体的地下物质是一种半液态氨混合物，那么羽毛可以在没有太多能量的情况下产生。然而，大量富含羽毛的冰晶显然支持“冷泉”模型假说，削弱了冰升华假说的可信度。

此外，Kyiv等人还提出了笼状水合物的来源理论，认为当“老虎条纹”地形断裂时，其中所含的二氧化碳、甲烷和氮气暴露在真空中并被释放出来。该理论不要求在“冷喷泉”模型假设中存在用于融化冰的热能，并且可以在没有氨的情况下进行解释。

内部结构

在卡西尼计划之前，人们对土卫二的内部结构知之甚少。然而，卡西尼号航天器几次飞越土卫二期间获得的探测结果为构建土卫二内部模型提供了必要的信息，包括确定土卫二三轴椭球的质量和形状、高分辨率表面照片和地质化学方面的新发现。

先前旅行者测量的土卫二质量表明土卫二可能完全由固态冰组成。然而，根据对土卫二对卡西尼号的重力影响的测量，该值远远高于先前的估计，其密度达到1.16克/立方厘米，高于土星其他中型冰卫星的密度，这表明土卫二可能含有更多的硅酸盐和铁。除了固体冰之外，其他物质的存在意味着土卫二内部可能有大量由放射性物质衰变产生的热能。

卡斯蒂略和其他人认为土卫二和其他土星的冰卫星是在土星星云形成后不久形成的，因此富含短期放射性核素。这些放射性核素，如铝-26和铁-60，半衰期短，可以相对较快地向恒星核心提供热能。虽然土卫二的岩石结构密度相对较高，但如果没有这些短期放射性核素，土卫二内部的长期放射性核素将无法阻止核心的快速冻结。鉴于土卫二的致密岩石结构，推测高含量的铝-26和铁-60将导致一种不同的结构类型的出现，包括一个冻结地幔和一个岩石核心。后来辐射能和潮汐作用将内核的温度提高到1000 K，这个温度足以融化内地幔。然而，为了保持土卫二活跃的地质活动，它的一些内核也必须融化形成岩浆房，这将在土星的潮汐下扭曲。土卫六的共振效应或天平动产生的潮热使这些位于内核的热点仍然活跃，并为土卫六当前的地质活动提供能量。

此外，科学家还测量了土卫二的形状，以进一步确定该卫星是否具有内部层状结构。根据2006年的测量结果，porco等人认为恒星处于流体静力学平衡状态，恒星内部没有分层，这与地质和地球化学证据指出的结果相矛盾。然而，恒星的形状并不排除它不处于流体静力学平衡的可能性。在相对较近的时期，土卫二可能仍然有一个分层的内部结构。在恒星的某些区域，旋转速度比其他区域快。

地下热源

结果，科学家们研究了土卫二地下有连续热源的假设。会上，有关专家提出了自己的观点:土卫二内部放射性物质的衰变是连续热能的来源。

美国宇航局卡西尼计划的主要研究人员之一丹尼斯·马特森说，土卫二是由冰和岩石的混合物形成的，其中含有两种放射性同位素。在过去的45亿年里，放射性衰变一直在继续，大量的热能被释放出来，逐渐形成了被冰包围的土卫二岩石核心的结构。直到今天，土卫二内部的放射性衰变还没有停止，内核产生的热能进一步熔化了土卫二的中心部分。

正是这种反复的放射性衰变为土卫二提供了稳定的热能流，打破了其南极附近的冰平衡，形成了一个高温区，导致冰破裂，直接导致卡西尼号捕获的冰碎片和水蒸气爆发。

表面温度

土卫二上没有雨，但是它的表面有间歇泉，大量的水蒸气从中喷射出来。这个过程被称为低温火山作用。对于卫星的确切组成和从其表面延伸出来的烟羽，意见不一。一些人认为卫星的液体表面覆盖着一层冰，而另一些人认为它是由固体冰和岩石组成的冷天体。

地下海洋

欧洲和美国的天文学家最近在《科学》杂志上报道，他们通过分析重力场判断出土星的卫星土卫二有一个巨大的“地下海洋”。这可能是寻找外星生命的理想地点之一。

土卫二是一个直径只有500公里的“小世界”。它的表面覆盖着耀眼的白冰。2005年，“卡西尼”号探测器发现土卫二的南极分布着一些平行的带状地貌，称为“虎纹”，并喷射出冰屑间歇泉。因此，科学家怀疑土卫二可能有一个“地下海洋”。[5]

天文学家利用卡西尼号探测器2010年至2012年对土卫二的三次近距离观测数据，分析并确定了土卫二的重力场。研究发现土卫二的引力场“明显不对称”，南极的引力较弱，但大于从其地形计算的数值。他们认为“补偿效应”是南极洲表面下的液态水，因为水的密度大于冰的密度，形成的重力也大于冰的重力。

进一步分析表明，“地下海洋”位于土卫二南极30至40公里厚的表层冰层之下，厚度约为10公里，延伸至南纬50度。加州理工学院的大卫·史提芬逊教授参与了这项研究，他说:“这意味着它的面积相当于甚至大于苏必利尔湖，地球上第二大湖。”

这项研究还表明，土卫二“地下海洋”的底部可能是硅酸盐岩石，这意味着这里的环境适合复杂的化学反应，包括那些可能创造了类似早期地球环境的化学反应。

外科医生认为木星的卫星木卫二，类似于土卫二，也可能有一个“地下海洋”史蒂文森说，研究两颗卫星有助于理解太阳系的可居住环境。太阳系中一定还有其他星球拥有丰富的水资源。