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土衛六直徑為5150千米,是土星唯一在規模上能與木星的伽利略衛星相匹敵的衛星。旅行者號拍到的土衛六隻是一個模糊的橘黃色球體,因為它是唯一有稠密大氣層的衛星。土衛六的大氣中97%是氮,但甲烷及其光化學衍生物使土衛六的大氣渾濁,還將平流層變成了不透明的煙霧。土衛六有一個由冰(大部分是水冰)構成的外殼和幔,佔其半徑的三分之一,其下覆蓋著一個巖石內核。土衛六可能有一個鐵內核,但在這種情況下,為了平衡全球平均密度,冰幔必須更厚。
土衛六的自轉周期受季風的影響,這表明土衛六的巖石圈一定與其內部分離,很可能是被內部海洋分離的。土衛六的內部海洋可能是水或水氨混合物。和水相比,氨在低得多的溫度下仍然是液體。大多數模型都將土衛六的內部海洋視作冰幔中的一層,沒有直接把內部海洋置於內部巖石的頂部。 卡西尼號用三種辦法探測了土衛六的表面,並解決了這個問題:(1)卡西尼號從對煙霧透明度最高的近紅外光譜的一些窄波段當中,獲得了模糊但有用的地表圖像;(2)卡西尼號使用像麥哲倫金星軌道飛行器那樣的成像雷達來觀察土衛六的地面,這不受雲層的影響;(3)卡西尼號搭載著一艘名為惠更斯(Huygens)的登陸器,登陸器在降落到地面的過程中拍攝了土衛六雲層下的圖像。惠更斯號降落在土衛六赤道附近一片布滿卵石的沙地上。
這片沙地看起來像火星,不過這裡的沙子和鵝卵石都是冰做的。沙子可能是被風吹來的,在土衛六的其他區域,雷達圖像顯示了大片的風吹沙丘。而鵝卵石一定是通過流動的液體運輸的。考慮到土衛六的大氣成分和表面溫度,這些液體一定是甲烷(CH4)或乙烷(C2H6)。在下降過程中,惠更斯號看到了靠近著陸點的水系通道分布,並且惠更斯號的雷達成像顯示了許多其他地區的複雜山谷系統,從冰殼「基巖」 裸露的高地開始,流向沉積物堆積的低地盆地。
更妙的是,惠更斯號在兩極附近都發現了被乙醇汙染的液態甲烷湖。一些湖床是幹的,另一些湖床裡有淺水或「沼澤」,它們很可能會隨季節而變化。顯然,土衛六在地質上很活躍。我們已經確認土衛六上有一些被嚴重侵蝕的隕石坑,並且有一些被懷疑是「冰火山」的地點,在那裡噴發出類似於地球熔巖流的冰冷的「巖漿」。
尚不清楚冰火山和構造作用在多大程度上雕刻和重塑了土衛六表面。但很明顯,在基巖被侵蝕之後(土衛六上的當然是被冰侵蝕的),緊跟著的是泥沙的搬運和沉積,這是影響土衛六表面的主要因素。土衛六上的降雨一定是甲烷液滴,但就像地球上的降雨一樣,這些甲烷液滴可以在地面上流動,形成泉水,流入溪流和河流。甲烷與結冰的「基巖」發生化學反應的情況、它的侵蝕能力、它蒸發回大氣的速度,以及再次下雨前,它在大氣停留的時間,這些都是不確定的。
所有這些都是土衛六的甲烷循環與地球水文循環相似的因素。火星在很久以前也有降雨、河流和湖泊,但土衛六是太陽系內除地球外唯一現在還有降雨、河流和湖泊的地方。總有一天,我們會發射另一個探測器更徹底地探索土衛六,也許會包括一個飄浮在煙霧下的氣球。它的浮力是可變的,這樣它就可以在有趣的地方著陸,對湖水進行採樣,並在完全陌生的海岸上獲得海浪拍擊海岸的照片。