04 巨行星的衛星和光環 Giant Planets Satellites and Rings

  具有光環和一大群衛星，是四顆巨行星的共同特徵。雖然這兩點在重要程度和規模上存在差異，但每個環-衛星系統之間的相似之處比差異多。

  環-衛星系統

  巨行星的大多數外側衛星都在偏心軌道上運行，通常與行星的自轉方向相反。此外，許多外側衛星的軌道相對它們的行星的赤道的傾角大於30°。這些天體因為引力太小，無法把自己拉成球形，再加上典型的軌道偏心、逆行和傾斜性質，於是被統稱為「不規則衛星」。這些不規則衛星最大的有100千米寬，普通的只有幾千米寬，是數量最多的一類衛星。據最新統計，木星有55顆不規則衛星，軌道半長軸從105到400個木星半徑不等；土星有38顆不規則衛星，軌道半長軸從184到417個土星半徑不等；天王星有9顆不規則衛星，軌道半長軸從167到818個天王星半徑不等；海王星有6顆不規則衛星，軌道半長軸從223到1954個海王星半徑不等。

  而「規則衛星」是指那些在近圓形順行軌道上的大型衛星。「規則衛星」離它們的行星要近得多，軌道相對其行星的赤道傾角很小。木星有4個「規則衛星」(伽利略發現的那些)，它們的軌道半長軸從5.9到26.3個木星半徑不等。儘管規則衛星不符合國際天文學聯合會對行星的定義，但它們都是實實在在的，在地質學上與類地行星有許多共同之處。土星有8顆規則衛星，除了一顆，其餘的都比木星的規則衛星小得多。土星的8顆規則衛星的軌道半長軸分別從3到59個土星半徑不等。天王星有5顆規則衛星，軌道半長軸分別從5到23個天王星半徑不等。海王星有一顆大衛星——海衛一(Triton)，在半長軸為14個海王星半徑的軌道上運行。儘管海衛一的軌道是逆行的，但它被認為是「規則的」。所有規則衛星(包括海衛一)都具有一個重要特徵：潮汐力[1]對它們的控制很強，以至於它們處於同步旋轉的狀態，每公轉一圈就自轉一次，因此，就像地球的月球一樣，規則衛星總是用同一面對著自己的行星。

  

  我們在更近一些的地方發現了不規則形狀的碎片塊，於是很方便地將其分為「內側超小衛星」。它們有圓形的、順行的赤道軌道，組成行星環的微粒也是如此。考慮到一些內側超小衛星的軌道位於環內，一個大的光環粒子和一個小的內側超小衛星之間可能沒有根本的區別。木星只有4顆已知的內側超小衛星，但土星有14顆，其中7顆的軌道位於土星最內側的規則衛星軌道之中。天王星有13顆內側超小衛星，海王星有6顆。

  行星環的寬度和數量因行星而異，土星環是迄今為止最壯觀的行星環，但總的來說土星環的厚度不超過幾十千米。大多數情況下，行星環與行星的距離比「洛希極限」(Roche limit)還要近。「洛希極限」是一個邊界，在它的內側的任何大型天體都會被潮汐力撕裂。我們認為大多數行星環是衛星或彗星離行星太近時被潮汐破壞遺留下來的碎片。但一些不那麼堅固的環顯然是由附近衛星活動排入太空的粒子或某些撞擊產生的粒子形成。

  土星環是由冰構成的，會反射80%的陽光。儘管土星環的外表很突出(圖3)，但如果把它們集中在一起，環中的物質只能形成一個直徑約100千米的物體。雖然還沒有拍攝到單個光環粒子，但當行星的陰影落在土星環上時，土星環冷卻的速度表明它主要由直徑在1厘米到5米之間的微粒構成。相比之下，木星環的粒子要小得多，主要是微米大小，並且這些粒子的反射能力也比土星環中明亮的冰團要弱得多。天王星和海王星的環狀物質反射太陽光的能力很差，和木星一樣；但天王星和海王星的大部分光環粒子的直徑都在厘米到米之間 ，和土星一樣。

  圖19　卡西尼號於2009 年7 月27 日拍攝的5000 千米寬的部分土星環照片。在這個尺度下，土星環的曲率（在右邊的視野之外）幾乎不顯現。在粒子密度最大的地方，光環反射的陽光最多，黑色的部分顯示出無粒子的縫隙。土衛十八（Pan）是一顆直徑為28 千米的牧羊犬衛星，圖中可以看到它在土星環最寬的縫隙中運行。土衛十八除了會將這個環間隙清掃乾淨，還會影響間隙內其他狹窄且不連續的衛星環。這張照片是在太陽非常靠近土星環所在平面的時候拍攝的，土衛十八的影子在土星環上特別長

  軌道共振導致環與環內小衛星之間存在複雜的引力相互作用(圖19)。這些環內小衛星通常被稱為「牧羊犬衛星」，因為其中一些環內小衛星會將環間隙清掃乾淨，另一些環內小衛星形成時會產生一些窄小的環，且這些環的軌道剛好在它們的內側或外部。一般來說，環與它們的行星的距離要小於環與規則衛星的距離。但土星是個例外，因為它有一個由暗的塵埃物質組成的外環。這個彌散的外環圍繞著土衛九的軌道。土衛九是土星最內側的不規則衛星。

  值得注意的衛星

  曾經有一段時間，幾乎所有人都認為，即使那個外行星最大的衛星，也只是枯燥的天體。它們只是古老的冰球，被撞擊弄得坑坑窪窪，記錄著外太陽系的轟擊歷史。如果你不想研究共同軌道演化，外行星衛星就沒有什麼意義了。這種觀點一直持續到了1979年3月，直到加州大學的斯坦頓·皮爾與兩位同事發表的一篇論文指出，木星最內層的伽利略衛星，木衛一(Io)和木衛二(Europa)之間精確的2∶1軌道共振會導致木衛一的形狀發生潮汐變形，因此，木衛一內部應該是熔融的。通過對木衛一和木衛二的密度估計和表面光譜分析，我們已經知道木衛一有岩石外殼，不像其他衛星外殼主要是冰。因為岩石體內部的熔化溫度要高得多，所以提出岩石體有一個熔融內部是特別大膽的猜想。還好旅行者1號在論文發表的幾天後飛過木衛一，傳送回噴發的火山圖片，裡面顯示木衛一火山頂部是300千米高的噴射羽狀物，不然很少有人會相信這種說法。

  雖然木衛一的潮汐加熱是迄今發現的衛星中最強的，但這樣的過程也影響著各種其他衛星，它們中的許多都有古代潮汐加熱的痕跡。潮汐加熱使這些衛星千差萬別，這也引起了地質學家的興趣。大多數有潮汐加熱的衛星只有核是岩石，地質學家對此並不介意。這些衛星被一層厚厚的冰覆蓋，表面一層可能在化學組成上截然不同。外太陽系天體普遍表面溫度低(木星衛星的表面溫度為-140℃，海王星衛星的表面溫度為-235℃)，在這裡，冰的力學性質和融化行為與內太陽系的岩石非常相似。換句話說，這些天體具有和類地行星類似的行為和結構，只是其核心是岩石而不是鐵，殼和幔是冰而不是岩石。

  但木衛一是一個例外。它沒有冰，卻有岩石構成的外殼和被幔包圍著的鐵核，如果它是圍繞太陽而不是木星運行的，將被歸類為類地行星。木衛二是一種混合結構，類似於把木衛一深埋在100~150千米冰層下。接下來，我將描述這兩顆衛星以及其他一些最吸引我的衛星，把重點放在更典型的例子上。儘管這些衛星是坑坑窪窪的冰球，它們也比我們之前想像的沉悶球體更有趣。

  木衛一

  木衛一的直徑只有3642千米，略大於我們的月球，密度也更大，但兩者卻截然不同。木星的引力會使偶發的拋射體向內聚焦，這意味著木衛一比木星其他同樣布滿隕石坑的衛星——木衛三和木衛四——更容易受到撞擊。但木衛一的地形被火山過程重新改造過，且改造速度很快，以至於木衛一表面沒有留下隕石坑。木衛三和木衛四的軌道在木衛二之外。1979年，在研究旅行者1號拍攝的木衛一的第一張彩色特寫照片時，它的黃色色調讓許多人猜測——木衛一表面清晰可見的葉狀熔岩流是由硫構成的。然而人們現在普遍認為木衛一的火山是由熔融矽酸鹽物質構成的，也就是真正的「岩石」。在木衛一表面，儘管火山活動區域以外的地方非常寒冷，但噴發的火山口中心溫度遠遠超過了1000℃。圖20所示的噴發氣體裡主要有二氧化硫，而在地球上火山的噴發氣體主要是水蒸氣。硫和二氧化硫在木衛一表面凝結成「霜」，賦予了木衛一顏色。

  木衛一位於木星磁場俘獲的帶電粒子帶內。帶電粒子帶內的輻射很強烈，以至於NASA的伽利略號探測器無法讓太空飛行器對木衛一進行多次近距離飛行，因此，木衛一隻有一小部分表面的成像質量足夠好，可以顯示出幾百米以下的細節。木衛一最清晰的圖像像素只有10米寬，即使如此，我們也沒有從其中發現隕石坑。

  如果木衛一的火山活動速度長期以來都沒變，那麼木衛一的整個殼和幔一定已經循環了許多次。熔岩流和從噴發羽流掉落的物質覆蓋著較老的地表，這相當於以平均每年幾厘米的速度掩埋著木衛一全球的地表。木衛一表面火山活動很快掩蓋了隕石坑，讓它們無跡可尋。同時因為木衛一的引力太弱，無法抓住水蒸氣或其他輕氣體，所以即使木衛一曾經有過冰層，火山活動也早就已經將它蒸發，使其消失在太空中。對火山學家來說，木衛一是一個多麼美妙的地方啊!要是嚴酷的輻射環境沒有徹底地阻礙人類對木衛一表面的探索就好了。

  圖20　上圖：2007 年3 月，飛向冥王星的新視野號（NewHorizons）在飛越木星時，拍攝到的木衛一的新月形圖像。在一個叫作特瓦史塔（Tvashtar） 火山噴口的地方，夜間的火山噴射羽流高達300 千米，所以它的上部是在陽光下的。在其源頭可以看到白熾的光，羽流下方的陰影里的部分被來自木星的反射光微弱地照亮

  下圖：這張250 千米寬的特瓦史塔全景圖是八年前伽利略號探測器拍攝的。陽光是從左邊來的。最暗的物質是近期的熔岩流，左上方東西方向的明亮條紋是從火山裂縫中噴發出來的熾熱熔岩

  木衛二

  木衛二的直徑為3130千米，它是我的最愛。旅行者號在1980年和1981年探測飛行時拍攝的照片顯示，木衛二的表面看起來像一個裂開的蛋殼，幾乎看不到隕石坑。很明顯，這是因為潮汐加熱以某種方式重塑了木衛二冰冷的外層，雖然速度沒有木衛一那麼快。伽利略號的高解析度成像任務揭示了木衛二複雜的地表歷史，並引發了一場異常激烈的爭論。眾所周知，木衛二的表面主要是水冰，其總體密度表明這層冰殼有100~150千米厚，覆蓋著密度更大的內部岩石。但是，密度參數並不能區分固態冰和液態水。由於溫度較低，木衛二表面的冰堅硬而易碎。關於木衛二，爭議的焦點是地表下「冰」的狀態：它是一路凍結到與岩石接觸的區域，還是底部是液體，而頂部是漂浮的冰殼？

  關於爭議中的這兩個觀點，後者需要更快的內部潮汐加熱速度，以及加入冰下是液態水的全球海洋這一奇特概念。我個人認為，圖21這類圖像中得到的表面特徵很清楚，這樣的冰通常很薄，只有幾千米厚，所以一定是漂浮在水面上的。然而，在伽利略號環繞木星系統運行的數年時間裡，成像團隊中一個強大的遊說團體堅持不懈地試圖用由厚冰層中固態對流驅動的過程來解釋木衛二的表面特徵。

  現在被普遍接受的木衛二的地質結構可以用圖21來解釋。這張圖片顯示了許多由100米高的懸崖圍成的高大的「冰筏」。冰筏的表面特徵是一系列的山脊和溝槽，且朝不同的方向運動。冰筏之間的紋理比較雜亂，圖像模糊。在這個區域之外，木衛二有大片沒有被分解成冰筏的區域，那裡的表面圖像是不間斷的山脊和溝槽，圖21中的冰筏顯然是這種支離破碎的碎片。裂隙的開閉導致了山脊和溝槽圖像的出現，並且裂隙開閉的潮汐周期可能與木衛二3.6天這一公轉周期一致。在整個木衛二上，任何時候都只有少數裂隙是活躍的。當一個活躍的裂隙被打開時，它的寬度可能只有1米，水會從下面被抽上來，暫時暴露在頂部。這些處在寒冷真空中的水會在瞬間沸騰並凍結，接著很快被泥漿覆蓋。當裂隙閉合時，一些泥漿被擠壓到表面，在閉合的裂隙上方形成一個山脊。下次裂隙打開時，山脊開裂，再次閉合時，又有更多的泥漿加入其中。裂隙幾年的開合就足夠在中心溝槽周圍形成我們看到的這種大小的山脊。最終，每條裂隙都會永久封死，但新的裂隙又會在其他地方開始作用，於是圖像就形成了，這使得覆蓋木衛二大部分地區的山脊和溝槽地形呈現出一種類似於毛線團的外觀。

  圖21　木衛二康納馬拉混沌區（Conamara Chaos region）的特寫鏡頭，畫面有42 千米寬。來自下層海洋的「融解」使得冰筏在該地區重新結冰之前能夠漂移開來。陽光來自右邊

  圖21中的「線團」地形會被另一個影響木衛二的劇烈過程破壞。這個過程叫作「融解」，它會導致破碎的冰筏混雜在一起，形成「混沌」。可能是由於海底的矽酸鹽火山爆發，在未來的混沌區域之下海洋會變得異常溫暖，表面冰殼的底部會逐漸融化，冰就變得更薄了。最終，冰層表面融化，浮冰筏(或浮冰)從冰架裸露的邊緣斷裂，漂流到裸露的海洋中。任何暴露在水面上的水都會很快重新結冰，也許我們最好將它想像成這樣：幾千米厚的冰筏緩緩駛入被冰雪覆蓋的海洋，就像地球夏季北冰洋融化的浮冰那樣，而不是進入了真正開放的水域。在圖21的西北部分，你可以看到許多原本合在一起的冰筏，因為它們沒有漂流很遠，並且它們的「線團」紋理可以匹配。

  短暫的熱量過剩消失後，海洋會重新結冰，冰筏停止漂流，重新凍結的海面和筏下的冰又開始變厚了。當再次凍結的區域足夠厚、足夠脆時，可能會出現新的裂隙，新一代的「線團」紋理會開始覆蓋整個區域。圖21中有一條穿過對角線的「年輕」的裂隙，它兩邊各有一條狹窄的山脊。裂隙穿過冰筏的地方看起來並不引人注目，但你可以看出它一定很年輕，因為它穿過了冰筏之間重新結冰的海洋。

  如果這個描述哪怕對一點點，那麼它就蘊含著一些非常值得思索的東西。雖然木衛二上最豐富的溶解鹽可能是硫酸鎂，而不是地球海洋中的氯化鈉，但是海水與海底岩石的化學反應也會使海洋含鹽。任何這樣覆蓋著有潮汐加熱岩石的海洋都為生命提供了一個棲息地，就像人們認為地球上生命開始的地方。缺乏陽光並不是生命誕生的障礙，因為處於食物鏈底部的「初級生產者」將從海底溫泉(熱液噴口)供應給海洋的化學物質中獲得能量。這種生命是依賴化學合成的生命，而不是光合作用的生命。在地球的海底，最熱的噴口被稱為「黑煙囪」，因為噴發口的液體混合到海水中時，會形成金屬硫化物顆粒的煙羽。令人驚訝的是，這些噴發口是生命的綠洲，那裡的生物群落包括一些像蝦蟹這樣的高級生物，以化學合成的微生物為食。這些微生物通過將二氧化碳轉化為甲烷來獲取能量。如果地球上的生命就是在這樣的環境中開始的，那麼木衛二上為什麼不能產生生命呢？

  可是要在幾千米厚的冰層下找到生命是極具挑戰性的，這需要木衛二著陸器在冰層上鑽或融化出一個洞，然後發射一枚能探測到「黑煙囪」的水下探測器。但如果年輕裂隙兩側的山脊是由從海洋中擠出來的泥漿形成的，那麼這樣雄心勃勃的任務可能就沒有必要了。因為當裂隙打開時，它可以為植物或(更合理的)海洋藻類等光合生物提供一個生態位。就像地球上的生命一樣，木衛二上的生命可能是由化學生物這一祖先進化而來的。輻射會使暴露在外的水柱頂部幾厘米區域不適宜居住。但在以下幾米的區域裡，有足夠的陽光可以讓生命進行光合作用。如果有初級生產者依靠陽光生存，如植物、藻類，那麼就可能有動物以它們為食。為了找到答案，我們第一步要做的就是研究從裂隙中擠出來的山脊樣本。

  美國國家航天局和歐洲航天局在太陽系外側探索領域的下一個大型合作項目很可能是前往木星系統，主要目的是通過探冰雷達和對潮汐運動的幅度進行測量，來驗證木衛二上是否存在海洋。木衛二的潮差在基岩的厚冰殼上大約只有1米，但對漂浮在海洋上的「薄」冰殼來說大約有30米。遺憾的是，此探測任務的著陸器還沒能被設計出來，但至少會用高解析度的軌道光譜儀來尋找山脊物質中的生物分子。

  土衛二

  如果木衛二的冰能夠在不深入地表的情況下被取樣，那麼尋找木衛二的生物標誌物就會容易得多。土星的一顆衛星，土衛二提供了這樣一個尋找生物標誌物的機會。土衛二的直徑只有504千米，而且它的密度太低，容不下很多岩石。旅行者號顯示土衛二是一個奇怪的小世界，它的部分地區布滿了隕石坑，但另外一些地方卻沒有。卡西尼號於2004年開始對土星系統進行軌道勘測，其傳送的高解析度圖像顯示，土衛二有一個被許多有規律的裂隙切割的表面，但這個表面和木衛二的「線團」區域不像。卡西尼號還發現了土衛二南極附近的裂隙向太空噴射冰晶(圖22)。幸運的是，卡西尼號攜帶了一台用於研究離子和中性粒子的質譜儀，科學家們因此調整了飛船的軌道，使其能夠穿過噴射的羽狀物並獲取了一些樣本。樣本中含有水、甲烷、氨、一氧化碳和二氧化碳，可能也有一些簡單的有機分子。有機分子是一個化學術語，表示連接在一起的碳原子，但並不意味著生命起源。如果這些羽狀物早些被發現，卡西尼號就可能會裝上更適合檢測生物標誌物的儀器。

  圖22　卡西尼號拍攝的兩張土衛二圖像。左圖：過曝的月牙形視圖，顯示了延伸到地表以上100 千米的羽狀物。右圖：土衛二的部分斜視圖，由幾個規律的裂隙切割而成，就像那些已知羽狀物的起源地。這裡有一些小型隕石坑（小到旅行者號拍不到），表明這一特定區域可能已經不再活躍

  我們幾乎可以肯定的是，土衛二和土衛四存在2∶1的軌道共振。這個軌道共振驅動了土衛二上的潮汐加熱，從而推動裂隙的形成，並為羽流提供了動力。但是，沒有人預料到土衛二會如此活躍。尤其令人困惑的是與土衛二大小相仿的鄰居——土衛一是一個布滿隕石坑的典型冰球，沒有任何活動歷史。土衛二的表面下不太可能隱藏著一個全球性的海洋，但是在羽流起點處下面可能有液態水。液態水對生命是有好處的，但土衛二內部的營養物質供應有限，比不上木衛二這樣的大型天體，因此它似乎也不是一個很有希望的生命棲息地。

  土衛六

  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，占其半徑的三分之一，其下覆蓋著一個岩石內核。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，這表明土衛六的岩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岩石的頂部。

  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「基岩」 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污染的液態甲烷湖(圖23)。一些湖床是乾的，另一些湖床里有淺水或「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岩流的冰冷的「岩漿」。

  圖23　範圍1100千米的卡西尼號雷達拼接圖，展示了土衛六北極附近的圖像。黑暗區域是湖泊，最大的一個面積超過10 萬平方千米，比北美的蘇必利爾湖大20%。我們可以看到樹枝狀的水系通道為湖泊提供了水源。圖片上添加了經度線。空白區域未成像

  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，在基岩被侵蝕之後(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「基岩」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。

  天衛五和天衛一

  我們還在爭論土衛六上是否有冰火山活動，但在天王星的五顆常規衛星中的兩顆存在古老的冰火山活動，這是不容置疑的。這兩顆衛星是天衛五和天衛一，它們的表面溫度為-200℃。古老的冰火山活動的影響可以從旅行者2號傳回的圖片上看到。旅行者2號已於1986年1月飛越天王星系統。

  天衛一是兩個衛星中較大的一個，直徑1158千米，表面地質形態複雜。在它最古老的遍布隕石坑的地形上，存在大量斷層，斷層上岩塊高聳。大多數斷層都符合術語「裂谷」的定義，谷底地勢平坦。然而，大部分峽谷並沒有保存著斷裂前的表面，而是被光滑的物質覆蓋著，至少在旅行者號1千米解析度下看起來是光滑的。

  可能在超過20億年前的遙遠過去，潮汐加熱導致了天衛一的表面破裂，冰火山熔岩流出，覆蓋了裂谷的地面。在天衛一表面的一些地方可以看到冰火山熔岩的延伸，它掩埋了一些較老的隕石坑。由於天王星與太陽的距離，我們認為天衛一上的冰是比在木星衛星上發現的略含鹽的冰更複雜的混合物，其液體最可能是通過部分熔融產生的水和氨的2∶1混合物。這種液體在-100℃下仍是液態，比融化水冰所需的熱量少得多。

  在天王星最小的常規衛星——天衛五上也能看到獨特的「熔岩」流。天衛五的直徑不過472千米，對於這樣小的天體來說，它的表面非常多樣化，甚至可能超過土衛二。天衛五上重疊撞擊坑的數量表明，「熔岩」流的最後一次活動的時間可能是在數十億年前。旅行者2號只看到了天衛五的半個球體，其成像區域的一半布滿了隕石坑。不同尋常的是，大多數較老的隕石坑都有平滑的外觀，就好像它們是被從天而降的東西覆蓋著一樣，只有較年輕的隕石坑是原始的。成像區域的另一半裡面三個尖銳的地形單元，被稱為冠狀體。每一個冠狀體都是不同的，但都包含複雜的脊狀地形或規律地形，包括被確定為冰火山熔岩流的特徵(可能是水氨熔岩，就像天衛一上的那樣)，以及由原始的隕石坑形成的凹痕。這裡的凹痕和那些布滿坑洞地形上的一樣。

  一種關於天衛五的早期理論認為，每個冕都代表著一次災難性全球分裂里的碎片，並且我們低估了再吸積作用。但更有可能冕是冰火山作用的場所，冰火山作用只有在衰退期才會留下可辨認的流狀痕跡。覆蓋在冕之外較老的隕石坑表明可能有爆炸性噴發，冰火山向太空噴射冰粒，其中一些像雪一樣沉降下來，改變了原有地形的特徵。但我們不知道這是什麼時候發生的，為什麼會發生。在本世紀中葉之前，不太可能有另一個飛行器到天王星進行探測，因此，我們也不太可能得到這個問題的答案。

  海衛一

  海衛一是海王星最大的衛星，直徑為2706千米。它的外殼布滿冰，但密度又很大，證明內部有一個堅實的岩石核心。旅行者2號在1989年飛過海衛一時，發現了海衛一凍結的氮冰極冠。以前在地球上用光譜法也探測到過這個氮冰極冠。就像火星極地冰冠中的二氧化碳一樣，這些冰冠在夏天可能會因為升華(而不是融化)而收縮，從而將其中的氮添加到海衛一稀薄但還算可觀的大氣中。海衛一的大氣主要由氮構成。形成其地殼穩定的「基岩」冰似乎是甲烷、二氧化碳和水的混合物，也有可能有氨，但氨在光譜探測中幾乎是不可見的。

  海衛一的最佳圖像解析度約為每像素400米，它們揭示了極地冰冠之外複雜的地質表面，包括了可能是由冰火山形成的各種地貌(圖24)。在海衛一的表面，隕石坑隨處可見，但數量並不多，而且很有可能大部分表面隕石坑的歷史都不到10億年。海衛一另一個引人注目之處是，它擁有從極地冰冠噴發出來的間歇泉，能夠噴出高約8千米的黑色粒子。海衛一有些由氮晶體組成的高空雲，類似於我們大氣層中的捲雲。

  旅行者2號只能看到海衛一南極的冰冠，因為在旅行者2號飛過海衛一時，其北半球的大部分地區處於黑暗之中。海衛一上的季節很奇特，這是海王星29.6°的自轉軸傾角加上海衛一21°的軌道傾角共同作用的結果。此外，海衛一的軌道平面圍繞海王星的軸進動，因此，海衛一的一個完整季節周期並不等於海王星164年的軌道周期。海衛一的一個完整季節周期為688年，其中包含164年的子周期。在整個季節周期中，海衛一上的太陽可以垂直照射的緯度範圍在北緯50°到南緯50°之間。旅行者2號飛越海衛一時，海衛一正巧接近南極的夏至，太陽垂直照射南緯50°。因此海衛一北半球大部分地區正處於黑暗之中，無法被觀測到。旅行者號觀測到，在陽光照射下，海衛一的南極冰冠正在消退。1997年從地球上的觀測證實了海衛一南極冰冠會升華為氣體的事實，表明自旅行者號與海衛一相遇以來，海衛一的大氣壓力在八年內增加了一倍。與此同時，看不見的北極冰蓋可能正在生長，因為大氣中的氮凝結在北極寒冷的表面上。

  圖24　旅行者號拍攝的拼接圖像覆蓋了海衛一上2000千的區域。上方是南，陽光從右上方照射過來。南極冰冠參差不齊的邊緣斜穿過圖像的頂部。長而窄的彎曲脊(溝)可能是冰火山的冰岩漿噴發的裂隙。左下角平坦的平原和盆地可能是廣闊的冰火山熔岩。中間和右下角的漣漪區域被稱為「哈密瓜地形」，視覺上類似於甜瓜的表皮，但成因尚不清楚

  [1]　潮汐力會引起潮汐變形(見132頁)，指當一個位於另一個天體的引力場時，這個天體會因為受到潮汐力而扭曲。