静电作用揭示土卫六沙丘成因

科幻画家Manjik笔下的土卫六表面

        土卫六（又称为泰坦星）是木星最大的一颗卫星，也是太阳系唯一一颗拥有大气层的卫星，近年来被证实其两极地区分布着由“大气降水”所形成的大量液态湖泊河流（主要成分为甲烷和乙烷），甲烷在生命起源中扮演着重要角色，因此，更好地了解土卫六可以帮助我们还原地球生命起源的过程和进一步开展地外生命探索工作。

土卫六大气层和表面湖泊的太空红外影像

        由于土卫六和早期地球的高度相似性，科学家对与这颗遥远卫星的探索从未停止，NASA卡西尼土星探测器自2004年第一次飞越土卫六开始，就不断发回所测得的科学数据，次年1月，其自带的惠更斯子探测器在土卫六表面着陆，向地面观测站传回几百张卫星表面图片，从而使科学家能够不断地发现这颗卫星的种种地球物理学现象并提出相应的假说。其中最具争议的便是关于其表面巨大沙丘的成因，土卫六表面分布着约1000万平方公里的沙漠，大部分是由近百米高，约两公里宽的巨型沙丘构成。这些沙丘集中分布在卫星的赤道区域，和地球主要由硅质矿物组成的沙丘不同，土卫六表面的沙粒是固态碳氢化合物。

位于土卫六50° W, 10° N 沙丘群（2006年9月卡西尼雷达成像）

 100° W，10 °N 沙丘群（2005年2月卡西尼雷达成像）

        对于其成因，学术界目前普遍接受的解释为：赤道干旱的气候有利于风力对沙粒的搬运和沉积，提高沙丘形成的可能性，而随着纬度的升高，土壤湿度随之提高，使沙粒的移动性下降，所以在土卫六两极地区很难观察到沙丘的形成。然而许多科学家对于如此巨大沙丘的动力学稳定性提出质疑并且根据沙丘走向所推测出自西向东的风向与实际观察到自东向西的风向相矛盾，种种迹象表明关于沙丘形成的原因需要进一步合理的解释。

        近日发表在 Nature Geoscience一篇提为“土卫六表面沙粒的静电作用及其对于沉积的影响”的文章对沙丘的成因提出了新的观点。沙粒在受到风力作用移动的同时，由于颗粒间的碰撞和摩擦，使其带有静电荷。但相比于地球的硅质矿物而言，土卫六特有的有机态沙粒使静电作用发生的概率大大增加。论文的第一作者，佐治亚理工大学的Josh Mendez Harper博士开展了相关的论证实验，首先用萘和联苯，两种碳氢化合物，模拟土卫六表面的土壤，把它们装进一个圆柱体器皿内，然后在干燥，纯氮气的环境下（土卫六的大气98%由氮气构成）转动器皿20分钟，测量试验后的有机颗粒带电情况。据Harper描述，约有五分之二的颗粒最终黏附在器皿的内壁上，但对硅质沙粒和火山灰，在模拟的地球气候下，进行相同的实验，并没有发现任何的颗粒附着在器皿内。后续试验证明，在土卫六较小的重力作用下，有机颗粒物所带的电荷最长能维持数月。该实验结果表明，有机颗粒之间的静电作用与土卫六特殊的物理化学环境让巨型沙丘的形成变为可能。

Harper实验示意图