如果我们不知道这些图像来自泰坦，我们可能会以为它们是火星或地球的新照片。控制室里有些人看到了加利福尼亚海岸，有些人看到了法国里维埃拉，甚至有人说土星最大的卫星看起来像他在图森的后院。在三个星期里，“惠更斯”号探测器与“卡西尼”号飞船分离后一直处于休眠状态，并被送往泰坦。我们这些焦急等待的人们与探测器之间产生了深厚的个人情感联系。我们不仅在职业生涯的大部分时间里致力于这项任务，而且还通过设身处地地思考它在 alien 且很大程度上未知的世界中将如何运作，从而开发了它的系统和仪器。我们想象泰坦可能像外太阳系中相对较大的卫星一样，例如木星的陨石坑卫星卡里斯托或刻槽卫星盖尼米德。
因此，在 2005 年 1 月 14 日上午，在德国达姆施塔特的欧洲空间行动中心，这些照片引起了同样程度的欢呼和困惑。我们谁也没有想到景观会如此像地球。当“惠更斯”号借助降落伞下降时，其 aerial 照片显示了雨水滋养的溪流切割而成的分支状河道。它降落在一个最近发生过山洪的潮湿的、布满鹅卵石的地点。泰坦的 alien 之处在于它令人毛骨悚然的熟悉感。
现在，五年过去了，我们有时间消化探测器的发现，并将它们放入更大的图景中，而“卡西尼”号在环绕土星的环形轨道上飞越泰坦 60 多次后，已逐渐拼凑出这个更大的图景。在大小（大于水星）、活力（比火星更活跃）和大气层（比地球更稠密）方面，泰坦在任何意义上都是一颗行星。各种各样的地质过程塑造着它的表面。甲烷扮演着水在地球上所扮演的角色。它从湖泊中蒸发，形成云，沉淀出来，雕刻山谷，然后流回湖泊。如果大气中只有一些氧气，并且温度不是零下 180 摄氏度，您会在泰坦上感觉像在家里一样。
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沙海、甲烷海
在“卡西尼”号之前，我们对泰坦的看法非常片面。当“旅行者”号宇宙飞船在 1980 年和 1981 年飞掠时，它只看到一个笼罩在雾霾中的橙色台球，而 20 世纪 90 年代中期天文台所能做到的最好程度也只是一张粗糙的红外地图，显示出模糊的黑暗和明亮区域 [参见 Jonathan I. Lunine 的“土星终于来了！”；大众科学，2004 年 6 月]。科学家们谈论泰坦的表面或其大气层，就好像一个单一的测量量或描述性短语可以捕捉整个世界一样。这些概括在新数据的大量涌入下已经变得苍白无力。我们现在不得不提到低纬度沙海，或夏季北极上空的大气层，或南部湖区多云的一天。
泰坦的低纬度地区是崎岖、明亮的山丘（最著名的是名为世外桃源的广阔区域）和黑暗的沙海的混合体，沙海曾经被认为是液态海洋。（天文学家总是倾向于将黑暗区域称为“海洋”，月球月海是最明显的例子。）高达 100 米的沙丘，如地球上发现的最大的沙丘，绵延数十到数百公里。泰坦上的黑色沙子不是由地球上石英等硅酸盐矿物制成的，而是由碳氢化合物制成的，看起来很像一堆堆咖啡渣。
在两极周围，我们发现了液态碳氢化合物：一些小湖泊位于数十公里宽的陡峭坑洼中；浅滩湖，如安大略湖，略大于其同名的安大略湖；以及像克拉肯海一样大的海洋，如里海一样大。这些湖泊的表面水位似乎随时间而变化。夹在沙漠般的 tropics 和潮湿的极地地区之间的是非常神秘的中纬度地区，那里有严重侵蚀的景观和液态流动的证据。
行星科学家在“旅行者”号遭遇后认识到，泰坦可能有一个甲烷循环，其中云、雨和海洋类似于地球上的水文循环。这种推测部分基于一个单一的数据点：泰坦的表面温度接近甲烷的三相点，正如地球的表面温度接近水的三相点一样。在这个温度下，气体、固体和液体可以共存。这是否意味着这三种物态之间的转变调节了泰坦的温度，还是这只是巧合？第一个有力的证据表明这个想法是成立的，可以这么说，是 20 世纪 90 年代后期地面望远镜探测到 transient 云，这些云位于甲烷预计会凝结的高度。更好的望远镜观测，然后是“卡西尼”号，能够看到这些云的活动，像地球上的积云一样向上膨胀，然后随着云滴变成雨水而消散。在某些区域，“卡西尼”号观察到云层过后表面变暗，这可能表明那里下过雨。
“卡西尼”号没有直接观察到降水，但“惠更斯”号 aerial 照片毫无疑问地表明，泰坦的至少部分景观是由降雨和液体在表面上的快速流动形成的。探测器的着陆点位于赤道以南约 10 度，在广阔沙海中间一些明亮的冰山丘的边缘。图像显示远处有几个长长的沙丘，但着陆点周围的直接区域更像是一个河床，上面布满了圆形的鹅卵石，鹅卵石堆积在沙子上。我们中的一位（洛伦茨，作为一名研究生，大约在硬件到达目的地前 12 年）设计和制造的贯穿仪戳入地面并测量了其机械性能，表明它有点软但具有内聚力，很像湿沙或粘土。
温度计表明，热量从探测器中散发得如此之快，以至于地面一定是潮湿的——就像在海滩上将手指伸入潮湿的沙子中比伸入干燥的沙子中感觉更冷一样。最近的研究表明，甲烷蒸汽也可能在“惠更斯”号相机的冷挡板上凝结，并且一张图像显示了露珠落在相机视野中时反射的光线的独特图案——这是外星世界液体的第一张近距离照片。
失控的行星
泰坦对于水文循环来说，就像金星对于温室效应一样：一个被推向极致的 terrestrial 过程。在地球上，太阳能足以每年蒸发约一米的水。大气层只能容纳几厘米的水分，然后才会形成云和降雨，因此 terrestrial 天气的总体特征是每隔一两周下几厘米的阵雨。
在泰坦上，微弱的阳光每年只能蒸发约一厘米的水。但大气层可以容纳相当于约 10 米液体的水分。因此，泰坦的天气应该以倾盆大雨为特色，造成山洪暴发，中间穿插着几个世纪的干旱。“惠更斯”号着陆点可能是山洪暴发的现场，山洪暴发可能发生在着陆前一个月或一千年前。泰坦的繁荣-萧条天气周期是地球上可能因全球变暖而发生的极端版本。随着我们的低层大气或对流层变暖，它会容纳更多的水分，暴雨和干旱都会变得更加强烈。
在地球上，tropics 由哈德莱环流主导。暖空气在赤道上升，当它流向两极时，会被地球的自转剪切。在大约纬度 30 度时，空气下降到地面。由于下沉的空气干燥，大多数 terrestrial 沙漠都位于这个纬度。但泰坦旋转得非常缓慢，每 15 天才旋转一次，因此相应的环流模式从夏季中纬度一直延伸到冬季极地，总体结果是整个赤道地区都变得干燥——因此广泛的沙海集中在赤道上。
虽然冷得多，但泰坦的大气层具有类似于地球的温度剖面。对流层因温室效应而变暖，温度随高度下降。在对流层之上是平流层，平流层因吸收太阳辐射而变暖。在地球上，吸收剂是臭氧，而在泰坦上，吸收剂是笼罩世界的 opaque 雾霾——这突显了泰坦科学的 recurring 主题，熟悉的物理学与不熟悉的物质。
为了分析雾霾，“卡西尼”号在飞掠泰坦时，在约 1000 公里的高度对上层大气进行了采样。在“卡西尼”号之前，我们预计雾霾由相对较轻的碳氢化合物分子（如乙烷）组成，原子量为 30。然而，“卡西尼”号探测到大量出乎意料的重有机分子，包括苯、蒽和原子量为 2000 或更大的 macromolecules。这种物质是通过阳光对大气甲烷的作用形成的。据推测，这种物质最终会凝结成更大的颗粒并沉降到表面，形成沙海，但这种情况是如何发生的还完全不清楚。
全球末日？
除了太阳能驱动的短期水循环外，地球还有一个由板块构造驱动的长期循环。它涉及内部和表面之间的水交换。在数亿年的时间里，水从火山热点和洋中脊的内部释放出来，并在俯冲带（地壳板块碰撞和下沉的区域）被回收进入内部。如果不是因为这个循环，水就会在大气中积聚并最终逸入太空。
泰坦呢？上层大气中太阳能驱动的光化学反应以如此快的速度产生较重的有机物，以至于它们会在几百万年内耗尽大气和表面上的所有甲烷，除非它得到补充 [参见 Sushil K. Atreya 的“火星和泰坦上的甲烷之谜”，大众科学，2007 年 5 月]。因此，泰坦一定有地下甲烷储藏库，将气体输送到大气中——这Roughly 类似于地球的长期水循环。
“卡西尼”号没有看到火山热点或板块构造特征，但它至少发现了两个看起来像冷冻火山流的区域，霍泰弧区和图伊雷吉奥。它们在近红外光下比泰坦上的任何其他区域都更亮，表明它们的成分明显不同。有人认为，这种明亮的物质是喷发物中的二氧化碳或氨霜的涂层，但其成分和来源仍然是个谜。地质活动的另一个迹象是几乎完全没有撞击坑，这表明火山活动或类似过程覆盖了它们。考虑到预期的撞击率，表面年龄在 2 亿到 10 亿年之间。
由于泰坦似乎缺乏板块构造，其内部循环可能不会像地球上那样持续发生，而是断断续续地发生。在泰坦历史的一种 proposed 重建中，内部在三个时期向大气释放甲烷：泰坦在 45 亿年前形成；岩心中对流在 25 亿年前开始；以及冰壳中的对流在过去 10 亿年内开始。最近的一次事件将引发全球火山末日，重塑整个表面，很像大约 10 亿年前发生在金星上的大灾难 [参见 Mark A. Bullock 和 David H. Grinspoon 的“金星上的全球气候变化”；大众科学，1999 年 3 月]。在甲烷注入后，表面可能比今天还要潮湿。在这些 intense 事件之间，泰坦在构造上是平静的，来自内部的甲烷流量充其量只是一点点滴。
除了深层甲烷储备外，泰坦可能还有一个地下液态水海洋，正如描述其内部演化的数学模型预测的那样。“惠更斯”号进行的电测量暗示，在地表以下约 45 公里处存在导电层，而水是主要的候选物质。“卡西尼”号雷达测量表明，地壳的旋转速度快于岩心，就好像液态层充当巨型轴承，使两者能够以不同的速度旋转一样；然而，最近的重新分析对这一结论提出了质疑。
不幸的是，泰坦的大气层阻止了“卡西尼”号更接近地表，以寻找土星会在海洋中感应出的 secondary 磁场。这些磁场对于证明木星卫星上存在海洋至关重要 [参见 Robert T. Pappalardo、James W. Head 和 Ronald Greeley 的“木卫二的隐藏海洋”；大众科学，1999 年 10 月]。当科学家们争论 secondary 磁场是否仍然可以探测到时，他们已经制定了在未来十年内寻找磁信号以及泰坦引力场 telltale 扭曲的计划。
泰坦的冰河时代
除了季节性周期发生的天气模式和地质时间发生的 атмосферное 补充外，泰坦和地球都经历了数万年到数百万年的 intermediate 时期的气候变化。正如 19 世纪苏格兰科学家詹姆斯·克罗尔首先认识到的，后来又由 20 世纪初塞尔维亚地球物理学家米卢廷·米兰科维奇完善的，其他行星施加的引力缓慢地改变着地球的倾斜度和轨道，从而改变了太阳加热的强度，并引起了冰河时代的循环。
在泰坦上，南半球的夏季比北半球的夏季更短，但更强烈，因为土星（以及泰坦）绕太阳的轨道是椭圆形的。在南半球仲夏，它离太阳近约 10%。这些不对称的季节可能会将甲烷和乙烷等 volatile 化合物从南部泵送到北部，而北部现在拥有更多的湖泊和海洋。然而，随着时间的推移，泰坦的极点和土星椭圆轨道的相对对齐会发生变化。在 30,000 年后，北半球的夏季将更加强烈。北半球的湖泊将干涸，而南半球将形成新的湖泊。这是泰坦比冰卫星更像 terrestrial 行星的另一种方式。
“卡西尼”号发现的 exotic 而又熟悉的景观正在促使科学家们以新的方式看待地球。例如，泰坦的线状沙丘与纳米布沙漠或撒哈拉沙漠的沙丘相似，那里的沙丘沿着两个主要风向的平均方向排列。然而，泰坦的大气模拟难以重现沙丘的方向。这种差异可能表明科学家们没有完全理解这种沙丘的形成，或者泰坦的风是由模拟中尚未包括的影响控制的。
此外，到目前为止对泰坦湖泊的观测表明，它们非常平坦，表面没有波浪，即使较低的重力和更稠密的空气应该会增加波浪强度。这种平静对于我们理解风浪产生意味着什么？泰坦的自转速度可能会随着季节而略有变化，因为大气层和表面像巨型飞轮一样相互加速和减速——这种效应在地球上也可见，尽管要弱得多。
因此，正如行星探索中经常发生的情况一样，“卡西尼”号的发现正在引发更深层次的问题。泰坦提出的广泛的科学问题以及复杂的表面-大气相互作用最终将需要一系列任务——就像 NASA 的火星计划一样——包括着陆器、漫游车，甚至气球。与此同时，“卡西尼”号继续每隔几周飞掠一次泰坦。去年八月标志着泰坦北半球春分，随着太阳逐渐向北移动，大气环流和云层模式将在我们眼前发生变化。随着一直处于寒冷、停滞黑暗中的北极地区变暖，我们可以预期的一件事是意想不到的事情。