研究人员发现，土星最大的卫星泰坦上的波浪活动可能足以侵蚀湖泊和海洋的海岸线

December2017

使用2011年12月16日卡西尼号拍摄的经过校准的红色、绿色和蓝色过滤的泰坦图像进行处理。来源：美国国家航空航天局/喷气推进实验室-加州理工学院/SSI/Kevin M.Gill

据麻省理工学院（Jennifer Chu）：土星最大的卫星泰坦是太阳系中唯一一个目前拥有活跃河流、湖泊和海洋的行星体。这些超凡脱俗的河流系统被认为充满了液态甲烷和乙烷，这些甲烷和乙烷流入广阔的湖泊和海洋，其中一些湖泊和海洋与地球上的五大湖一样大。

2007年，美国国家航空航天局的卡西尼号宇宙飞船拍摄的图像证实了泰坦的大海和较小湖泊的存在。从那时起，科学家们就开始仔细研究这些图像和其他图像，寻找月球神秘液体环境的线索。

现在，麻省理工学院的地质学家研究了泰坦的海岸线，并通过模拟表明，月球的大海很可能是由波浪形成的。到目前为止，科学家们根据泰坦表面的远程图像，发现了波浪活动的间接和相互矛盾的迹象。

麻省理工学院的团队采用了一种不同的方法来研究泰坦上波浪的存在，首先对地球上湖泊侵蚀的方式进行了建模。然后，他们将模型应用于泰坦的海洋，以确定卡西尼号图像中可能产生海岸线的侵蚀形式。他们发现，波浪是最有可能的解释。

研究人员强调，他们的研究结果并不确定；要确认泰坦上有波浪，需要直接观察月球表面的波浪活动。

麻省理工学院地球、大气和行星科学的Cecil和Ida Green教授Taylor Perron说：“根据我们的研究结果，我们可以说，如果泰坦海洋的海岸线被侵蚀，海浪最有可能是罪魁祸首。”。

“如果我们能站在泰坦的一个海洋边缘，我们可能会看到液态甲烷和乙烷的波浪在风暴期间拍打海岸并撞击海岸。它们将能够侵蚀海岸的材料。”

Perron和他的同事，包括第一作者Rose Palermo，前MIT-WOI联合项目研究生和美国地质调查局的研究地质学家，在《科学进展》上发表了他们的研究。他们的合著者包括麻省理工学院研究科学家Jason Soderblom、前麻省理工大学博士后Sam Birch、现任布朗大学助理教授、伍兹霍尔海洋研究所的Andrew Ashton和康奈尔大学的Alexander Hayes。

“采取不同的策略”

自从卡西尼号在月球表面发现液态物质以来，泰坦上波浪的存在一直是一个有争议的话题。

Palermo说：“一些试图寻找波浪证据的人没有看到任何证据，他们说：“这些海洋是镜面光滑的。其他人说，他们确实看到了液体表面的一些粗糙，但不确定是波浪造成的。”

了解泰坦的海洋是否存在波浪活动，可以为科学家提供有关月球气候的信息，例如可能引发波浪的风的强度。波浪信息还可以帮助科学家预测泰坦海洋的形状如何随着时间的推移而演变。

Perron说，研究小组必须“采取不同的策略，通过观察海岸线的形状，看看我们是否能分辨出海岸线受到了侵蚀，而不是在泰坦的图像中寻找波浪状特征的直接迹象。”

泰坦的海洋被认为是由于不断上升的液体淹没了河谷纵横交错的景观而形成的。研究人员将注意力集中在接下来可能发生的三种情况上：没有海岸侵蚀；波浪引起的侵蚀；以及“均匀侵蚀”，要么是由“溶解”驱动的，即液体被动地溶解海岸的物质，要么是海岸在自重作用下逐渐脱落的机制。

研究人员模拟了在这三种情况下，各种海岸线形状将如何演变。为了模拟波浪驱动的侵蚀，他们考虑了一个称为“fetch”的变量，该变量描述了从海岸线上的一个点到湖泊或大海对面的物理距离。

巴勒莫解释说：“波浪侵蚀是由波浪的高度和角度驱动的。”。“我们过去用波浪高度来近似波浪高度，因为波浪高度越大，风吹和波浪生长的距离就越长。”

为了测试三种情况下海岸线形状的差异，研究人员从一个边缘有被洪水淹没的河谷的模拟海洋开始。对于波浪驱动的侵蚀，他们计算了从海岸线的每一个点到其他点的提取距离，并将这些距离转换为波浪高度。

然后，他们进行了模拟，看看波浪会如何随着时间的推移侵蚀起始海岸线。他们将此与同一海岸线在均匀侵蚀驱动的侵蚀下的演变进行了比较。该团队对数百种不同的起始海岸线形状重复了这种比较建模。

他们发现，根据潜在机制的不同，末端形状会有很大的不同。最值得注意的是，均匀的侵蚀产生了膨胀的海岸线，这些海岸线在四周均匀地加宽，即使在被洪水淹没的河谷中也是如此，而波浪侵蚀主要使暴露于长距离取水的海岸线部分变得平滑，使被洪水淹没了的河谷变得狭窄而粗糙。

Perron说：“我们有相同的起始海岸线，我们看到在均匀侵蚀和波浪侵蚀的情况下，你会得到完全不同的最终形状。”。“由于河谷被洪水淹没，它们看起来都有点像飞行的意大利面怪物，但这两种类型的侵蚀产生了非常不同的终点。”

研究小组通过将模拟结果与地球上的实际湖泊进行比较来检查结果。他们发现，已知被海浪侵蚀的地球湖泊和受均匀侵蚀（如溶解的石灰岩）影响的湖泊在形状上存在相同的差异。

海岸的形状

他们的模型揭示了清晰、有特色的海岸线形状，这取决于它们的进化机制。研究小组随后想知道：在这些特征形状内，泰坦的海岸线将适合哪里？

特别是，他们关注了泰坦上四个最大、地图绘制最完善的海洋：克拉肯海，其大小与里海相当；Ligeia Mare，比苏必利尔湖还大；Punga Mare，比维多利亚湖还长；以及安大略湖，其大小约为陆地同名湖泊的20%。

该团队使用卡西尼号的雷达图像绘制了每一个泰坦海的海岸线，然后将他们的建模应用于每一个海岸线，看看哪种侵蚀机制最能解释它们的形状。他们发现，所有四个海洋都完全符合波浪驱动的侵蚀模型，这意味着波浪产生的海岸线与泰坦的四个海洋最为相似。

Perron说：“我们发现，如果海岸线受到侵蚀，它们的形状与波浪的侵蚀更一致，而不是均匀侵蚀或根本没有侵蚀。”。

研究人员正在努力确定泰坦的风必须有多强，才能激起可能反复侵蚀海岸的海浪。他们还希望从泰坦海岸线的形状来解读风主要从哪个方向吹。

巴勒莫说：“泰坦展现了一个完全未受影响的系统。”。“这可以帮助我们了解更多关于海岸如何在不受人类影响的情况下侵蚀的基本知识，也许这也可以帮助我们在未来更好地管理地球上的海岸线。”