泰坦的表面。麻省理工学院地质学家的模拟表明，土星最大的卫星土卫六上的湖泊和海洋是由波浪驱动的侵蚀形成的。来源:美国国家航空航天局/姓名

　　麻省理工学院的研究人员通过模拟表明，土星最大的卫星土卫六的海岸线是由波浪塑造的。这一发现建立在美国宇航局卡西尼号宇宙飞船的图像基础上证实了土卫六上存在甲烷和乙烷。了解这些海浪是如何侵蚀海岸线的，可以让我们深入了解土卫六的气候和未来的海洋演变。

　　土卫六独特的外星“水”

　　土卫六是土星最大的卫星，也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，流入广阔的湖泊和海洋，有些湖泊和海洋与地球上的五大湖一样大。

　　2007年，美国宇航局卡西尼号宇宙飞船拍摄的照片证实了土卫六上存在大片海洋和较小的湖泊。从那以后，科学家们一直在研究这些图像和其他图像，以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土卫六的海岸线，并通过模拟表明，土卫六上的大片海洋很可能是由海浪塑造的。到目前为止，根据土卫六表面的远程图像，科学家们已经发现了间接的、相互矛盾的波活动迹象。

　　土卫六的湖泊。麻省理工学院的研究人员利用模拟研究了土卫六海岸线的侵蚀情况，他们发现，土卫六是土星最大的卫星，拥有活跃的河流、湖泊和海洋，可能是由海浪形成的。来源:美国国家航空航天局

　　波浪是泰坦上的侵蚀力

　　麻省理工学院的研究小组采用了一种不同的方法来研究土卫六上波浪的存在，他们首先模拟了地球上湖泊侵蚀的方式。然后，他们将模型应用于土卫六的海洋，以确定卡西尼号图像中的海岸线可能是哪种侵蚀形式形成的。他们发现，波浪是最可能的解释。

　　研究人员强调，他们的结果并不是决定性的;要确认土卫六上是否存在波浪，就需要直接观察土卫六表面的波浪活动。

　　麻省理工学院地球、大气和行星科学塞西尔和艾达·格林教授泰勒·佩伦说:“根据我们的研究结果，我们可以说，如果土卫六的海岸线受到侵蚀，那么海浪最有可能是罪魁祸首。”“如果我们能站在泰坦海洋的边缘，我们可能会看到一波又一波的液态甲烷和乙烷拍打着海岸，在风暴期间撞击着海岸。它们将能够侵蚀构成海岸的物质。”

　　例如，模型景观从被洪水淹没的河谷(左)和被海浪侵蚀(右上)或均匀侵蚀(右下)的海岸线开始。图片来源:研究人员提供

　　Perron和他的同事，包括第一作者Rose Palermo，前麻省理工学院- whoi联合项目研究生和美国地质调查局的研究地质学家，将在即将出版的《科学进展》杂志上发表他们的研究。他们的合著者包括麻省理工学院的研究科学家杰森·索德布洛姆、前麻省理工学院博士后、现布朗大学助理教授萨姆·伯奇、伍兹霍尔海洋研究所的安德鲁·阿什顿和康奈尔大学的亚历山大·海斯。

　　有限公司土卫六波浪活动的争议和见解

　　自从卡西尼号在土卫六表面发现了液态水以来，土卫六上是否存在波浪一直是一个有争议的话题。

　　巴勒莫说:“有些人试图寻找波浪存在的证据，但没有看到任何证据，于是说，‘这些海洋像镜子一样光滑。’”“其他人说，他们确实看到了液体表面的一些粗糙度，但不确定是否是海浪造成的。”

　　了解土卫六的海洋是否有波浪活动，可以为科学家提供有关这颗卫星气候的信息，比如可以激起这种波浪的风的强度。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，与其在土卫六的图像中寻找波浪状特征的直接迹象，研究小组不得不“采取不同的策略，看看，仅仅通过观察海岸线的形状，我们是否能分辨出是什么在侵蚀海岸。”

　　模拟技术和侵蚀情景

　　泰坦的海洋被认为是由于不断上升的液体淹没了纵横交错的河谷地貌而形成的。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;海浪驱动的侵蚀;“均匀侵蚀”是由“溶解”驱动的，在“溶解”中，液体被动地溶解了海岸的物质，或者是海岸在自身重量下逐渐脱落的机制。

　　研究人员模拟了在这三种情况下海岸线形状的变化。为了模拟波浪驱动的侵蚀，他们考虑了一个被称为“fetch”的变量，它描述了从海岸线上一点到湖泊或海洋对面的物理距离。

　　“波浪侵蚀是由波浪的高度和角度驱动的，”巴勒莫解释说。“我们使用fetch来近似波浪高度，因为fetch越大，风可以吹的距离就越长，海浪可以增长。”

　　为了测试这三种情况下海岸线的形状有何不同，研究人员从一个边缘被淹没的河谷的模拟海洋开始。对于波浪驱动的侵蚀，他们计算了海岸线上每个点到其他点的距离，并将这些距离转换为浪高。然后，他们进行了模拟，看看随着时间的推移，海浪会如何侵蚀开始的海岸线。他们将此与同一海岸线在均匀侵蚀下的演变进行了比较。该团队对数百种不同的海岸线形状重复了这种比较模型。

　　比较侵蚀类型及其影响

　　他们发现，根据潜在机制的不同，末端形状也有很大不同。最值得注意的是，均匀的侵蚀产生了膨胀的海岸线，甚至在被淹没的河谷中也会均匀地变宽，而波浪侵蚀主要是使暴露在较远距离的部分海岸线变得平坦，使被淹没的山谷变得狭窄而粗糙。

　　“我们有相同的初始海岸线，我们发现在均匀侵蚀和波浪侵蚀下，你会得到一个非常不同的最终形状，”Perron说。“由于河谷被洪水淹没，它们看起来都有点像会飞的意大利面怪物，但这两种类型的侵蚀产生了非常不同的终点。”

　　该团队通过将模拟结果与地球上的实际湖泊进行比较来验证他们的结果。他们发现，地球上已知受波浪侵蚀的湖泊和受均匀侵蚀(如溶解的石灰岩)影响的湖泊在形状上也存在同样的差异。

　　绘制和建模泰坦最大的海洋

　　他们的模型显示了清晰的、有特色的海岸线形状，这取决于它们进化的机制。然后，研究小组想知道:在这些特征形状中，土卫六的海岸线应该在哪里?

　　他们特别关注了土卫六上四个最大、地图绘制最清晰的海洋:堪比里海的海妖海(Kraken Mare);丽姬亚海，比苏必利尔湖还大;Punga Mare，比维多利亚湖还长;以及安大略湖，其面积约为陆地上同名湖泊的20%。

　　研究小组利用卡西尼号的雷达图像绘制了每个泰坦海洋的海岸线，然后将他们的模型应用到每个海洋的海岸线上，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相似。

　　“我们发现，如果海岸线受到侵蚀，它们的形状更符合海浪的侵蚀，而不是均匀的侵蚀或根本没有侵蚀，”Perron说。

　　未来研究方向与启示

　　研究人员正在努力确定土卫六上的风必须有多强才能激起可以反复侵蚀海岸的海浪。他们还希望通过土卫六海岸线的形状来破译风主要从哪个方向吹来。

　　“泰坦展示了一个完全未受影响的系统，”巴勒莫说。“它可以帮助我们了解更多关于海岸如何在没有人类影响的情况下被侵蚀的基本知识，也许这可以帮助我们在未来更好地管理地球上的海岸线。”

　　参考:《泰坦海岸海浪侵蚀的特征》，作者:Rose V. Palermo, Andrew D. Ashton, Jason M. Soderblom, Samuel P. D. Birch, Alexander G. Hayes和J. Taylor Perron, 2024年6月19日，《科学进展》。DOI: 10.1126 / sciadv.adn4192

　　这项工作得到了美国国家航空航天局、国家科学基金会、美国地质勘探局和海辛-西蒙斯基金会的部分支持。