宇宙之太陽系---土星

06-20

( 科普2013-06-16 08:52:10)

2004年7月1日，經過七年漫長的宇宙飛行，「卡西尼」號飛船到達了觀測神秘土星的軌道。土星有一個巨大而迷人的光環，那是由無數物質碎片或冰塊組成的，裡面包含著很多關於太陽系形成的信息；土星還擁有太陽系最大的衛星泰坦，那裡有濃厚的大氣，可能還有冰的海洋。過去人們以為遙遠的土星就是太陽系的邊界，現在已經可以到那裡去做客。在人類敲響土星家門之前，我們先在這裡初步認識一下它吧。

旅行者1號拍攝的土星照片。透過環縫可以看到木星表面。位於左邊的亮點是土衛四。土星是太陽系大行星之一，按離太陽由近及遠的次序為第六顆，它還是太陽系第二大行星。中國古代稱土星為填星或鎮星。

在1781年發現天王星之前，人們曾認為土星是離太陽最遠的行星。在望遠鏡中可以看到土星被一條美麗的光環圍繞。土星還有較多的衛星，到1978年為止，已發現並證實的有10個，以後又陸續有人提出新的發現。

土星和它的衛星

土星在很多方面像木星，如它與木星同屬於巨行星，它的體積是地球的745倍,質量是地球的95.18倍。在太陽系九大行星中，土星的大小和質量僅次於木星，占第二位。它像木星一樣被色彩斑斕的雲帶所繚繞，並被較多的衛星所拱衛。它由於快速自轉而呈扁球形。赤道半徑約為60,000公里。土星的平均密度只有0.70克/厘米立方米，是九大行星中密度最小的。如果把它放在水中，它會浮在水面上。土星的大半徑和低密度使其表面的重力加速度和地球表面相近。土星在沖日時的亮度可與天空中最亮的恆星相比。由於光環的平面與土星軌道面不重合，而且光環平面在繞日運動中方向保持不變，所以從地球上看，光環的視面積便不固定，從而使土星的視亮度也發生變化。當土星光環有最大視面積時,土星顯得亮一些；當視線正好與光環平面重合時，光環便呈現為一條直線，土星就顯得暗些。二者之間的亮度大約相差3倍。見下圖：

土星繞太陽公轉的軌道半徑約為14億公里，它的軌道是橢圓的。它同太陽的距離在近日點時和在遠日點時相差約1 .5億公里。土星繞太陽公轉的平均速度約為每秒9.64公里，公轉一周約29.5年。土星也有四季，只是每一季的時間要長達7年多，因為離太陽遙遠，既使是夏季也十極其寒冷。土星自轉很快，但不同緯度自轉的速度卻不一樣，這種差別比木星還大。赤道上自轉周期是10小時14分，緯度60度處則變成10小時40分。這就是說在土星赤道上，一個晝夜只有10小時零14分。

土星大氣以氫、氦為主，並含有甲烷和其他氣體，大氣中飄浮著由稠密的氨晶體組成的雲。從望遠鏡中看去，這些雲像木星的雲一樣形成相互平行的條紋，但不如木星雲帶那樣鮮艷，只是比木星雲帶規則得多。土星雲帶以金黃色為主，其餘是桔黃色、淡黃色等。土星的表面同木星一樣，也是流體的。它赤道附近的氣流與自轉方向相同，速度可達每秒500米，比木星上的風力要大得多。

土星極地附近呈綠色，是整個表面最暗的區域。根據紅外觀測得知，雲頂溫度為-170℃，比木星低50℃。土星表面的溫度約為-140℃。土星表面有時會出現白斑，最著名的白斑是1933年8月發現的，這塊白斑出現在赤道區，呈蛋形，長度達到土星直徑的1/5。以後這個白斑不斷地擴大，幾乎蔓延到整個赤道帶。

由於這顆行星表面溫度較低而逃逸速度又大（35.6公里/秒）,使土星保留著幾十億年前它形成時所擁有的全部氫和氦。因此，科學家認為，研究土星目前的成分就等於研究太陽系形成初期的原始成分，這對於了解太陽內部活動及其演化有很大幫助。一般認為土星的化學組成像木星，不過氫的含量較少。土星上的甲烷含量比木星多，而氨的含量則比木星少。

1973年 4月美國發射的行星際探測器「先驅者」11號發現土星有一個由電離氫構成的廣延電離層，其高層溫度約為977℃。觀測結果表明，土星極區有極光。

土星極光

目前認為，土星形成時，起先是土物質和冰物質吸積，繼之是氣體積聚。因此，土星有一個直徑20，000公里的岩石核心。這個核占土星質量的10%到20％，核外包圍著5，000公里厚的冰殼，再外面是8，000公里厚的金屬氫層，金屬氫之外是一個廣延的分子氫層。

1969年，一架飛機在地球大氣高層對土星的熱輻射作了紅外觀測，發現土星和木星一樣，它輻射出的能量是它從太陽接收到的能量的兩倍。這表明土星和木星一樣有內在能源。後來「先驅者」11號的紅外探測證實了這一點，測得土星發出的能量是從太陽吸收到的2.5倍。

1610年，義大利天文學家伽利略觀測到在土星的球狀本體旁有奇怪的附屬物。1659年，荷蘭學者惠更斯證認出這是離開本體的光環。1675年義大利天文學家卡西尼,發現土星光環中間有一條暗縫,後稱卡西尼環縫。他還猜測，光環是由無數小顆粒構成。兩個多世紀後的分光觀測證實了他的猜測。但在這二百年間，土星環通常被看作是一個或幾個扁平的固體物質盤。直到1856年，英國物理學家麥克斯韋從理論上論證了土星環是無數個小衛星在土星赤道面上繞土星旋轉的物質系統。(注）

土星環位於土星的赤道面上。在空間探測以前，從地面觀測得知土星環有五個,其中包括三個主環(A環、B環、C環)和兩個暗環（D環、E環）。B環既寬又亮，它的內側是C環，外側是A環。A環和B環之間為寬約5，000公里的卡西尼縫，它是天文學家卡西尼在1675年發現的。B環的內半徑 91，500公里，外半徑116，500公里，寬度是25，000公里，可以並排安放兩個地球。A環的內半徑121，500公里，外半徑137，000公里，寬度15，500公里。C環很暗，它從B環的內邊緣一直延伸到離土星表面只有12，000公里處，寬度約19，000公里。1969年在C環內側發現了更暗的D環，它幾乎觸及土星表面。在A環外側還有一個E環，由非常稀疏的物質碎片構成，延伸在五、六個土星半徑以外。1979年9月，「先驅者」 11號探測到兩個新環──F環和G環。F環很窄，寬度不到800公里，離土星中心的距離為2.33個土星半徑，正好在A環的外側。G環離土星很遠，展布在離土星中心大約10～15個土星半徑間的廣闊地帶。「先驅者」11號還測定了A環、B環、C環和卡西尼縫的位置、寬度，其結果同地面觀測相差不大。「先驅者」11號的紫外輝光觀測發現，在土星的可見環周圍有巨大的氫雲。環本身是氫雲的源。

除了A環、B環、C 環以外的其他環都很暗弱。土星的赤道面與軌道面的傾角較大，從地球上看，土星呈現出南北方向的擺動，這就造成了土星環形狀的周期變化。仔細觀測發現，土星環內除卡西尼縫以外，還有若干條縫，它們是質點密度較小的區域，但大多不完整且具有暫時性。只有A環中的恩克縫是永久性的，不過，環縫也不完整。科學家認為這些環縫都是土星衛星的引力共振造成的，猶如木星的巨大引力攝動造成小行星帶中的柯克伍德縫一樣。「先驅者」11號在A環與F環之間發現一個新的環縫，稱為「先驅者縫」，還測得恩克縫的寬度為876公里。由觀測闡明土星環的本質，要歸功於美國天文學家基勒，他在1895年從土星環的反射光的多普勒頻移發現土星環不是固體盤，而是以獨立軌道繞土星旋轉的大群質點。土星環掩星並沒有把被掩的星光完全擋住，這也說明土星環是由分離質點構成的。1972年從土星環反射的雷達回波得知，環的質點是直徑介於4到30厘米之間的冰塊。

土星環細部的模擬圖像註：

行星環的形成

圍繞行星運轉的物質環，由許多小物體構成，因反射太陽光而發亮，又稱光環。十七世紀發現土星環以來，人們一直以為唯獨土星有環。20世紀70年代後期天王星環和木星環的相繼發現，打破了這種觀念，並為研究太陽系起源和演化提供了新的信息。目前認為行星環的可能成因有三：1、由於衛星進入行星的洛希極限內為行星的起潮力所瓦解；2、太陽系演化初期殘留下來的某些原始物質，因在洛希極限內繞行星公轉而無法凝聚成衛星；3、位於洛希極限內的一個或更多的較大天體被流星轟擊成碎片，構成行星環。一般說來，大多數行星環中的物質在行星的洛希極限內繞行星本體運轉；最近發現，有的較外層的環可以分布在洛希極限外很遠的地方，對於這些環的形成原因還有待研究。

洛希極限

在討論衛星的形狀理論中，若把衛星看成質量很小（相對行星而言）的流體團，就成為流體在行星引力作用下的形狀問題。因行星引力很大，當衛星離行星很近時，潮汐作用會使衛星的形狀變成細長的橢圓。當距離近到一定程度時，潮汐作用就會使流體團解體分散。這個使衛星解體的距離的極限值是由法國天文學家洛希首先求得的，因此稱為洛希極限。土星環中心到土星中心的距離為2.31個土星半徑。若土星環的密度與土星相同，則這個距離小於洛希極限，因此解體分散，不能形成一個衛星。

下面是一些土星圖片

上兩張是哈勃太空望遠鏡拍攝的土星照片

旅行者1號距離72萬公里拍攝的環局部

旅行者2號距離400萬公里拍攝的土星環局部照片。可以看到環內的層次非常多。

探測器距離土星285萬公里處拍攝的圖片。左上的天體是土星最大的衛星-土衛六。

1980年11月5日旅行者1號拍攝的土星北半球局部圖片。顯示了大氣對流所產生的雲帶

土星北極區域雲層圖像。可見兩個類似地球颱風的圓形旋轉氣流結構。

土星巨大的陰影投在環上。照片顯示了環的半透明性。

土星雲圖。其中暗色卵形區域直徑約4000公里，風速約每小時150公里。

旅行者2號拍攝的圖片。可以看到環投在土星表面的陰影。圖像左邊中緯度地方的白色區域是一個風暴區。

局部風渦

這是哈勃望遠鏡拍攝的土星圖片。上圖中最大的衛星土衛六將影子投在土星上。右邊四個衛星從左到右為土衛一、土衛三、土衛十和土衛二。在環的兩端上還隱約可以看到兩顆小衛星，左邊的是土衛十七，右邊是土衛十六。陽光還將環的影子投到了土星上。圖片顯示出土星環非常之薄。下圖左邊的衛星是土衛三，右邊是土衛四。土衛四的陰影恰好投在環上。

旅行者1號於1980年11月3日距離土星1千3百萬公里拍攝的土星及衛星。靠上邊的是土衛三，下邊的是土衛四。PIA00024。衛星的投影在土星面上，環的明暗也非常清楚。

旅行者2號1981年8月拍攝的土星和它的四個衛星，從上到下為土衛一、土衛三、土衛四和土衛五。其中土衛三的影子投射在土星的南半球。

大氣結構

土星環局部

不同時間拍攝到的土星和它的小衛星

哈勃太空望遠鏡於1994年12月1日和1995年5月22日拍攝的土星圖像，可以看出因旋轉角度產生的環的視面變化。其中下圖可見土星的兩顆衛星，左邊的是土衛三，右邊的是土衛四。土星的衛星至少有18個，其中9個是1900年以前發現的。土衛一到土衛十按距離土星由近到遠排列為：土衛十、土衛一、土衛二、土衛三、土衛四、土衛五、土衛六、土衛七、土衛八、土衛九。土衛十離土星的距離只有159,500公里,僅為土星赤道半徑的2.66倍，已接近洛希極限。這些衛星在土星赤道平面附近以近圓軌道繞土星轉動。

土衛一是土星8個大的、形狀規則的衛星中最小且最靠近土星的一個。直徑392公里，與土星平均距離約185520公里。軌道近圓形。公轉周期為23小時，正好是土衛三公轉周期的一半，所以，這兩顆衛星總是在土星的同一側相遇。這種現象叫軌道共振態，原因還不清楚。土衛一的自轉和公轉同步，所以它總是以同一半球朝向土星。這一點類同月球與地球的關係。土衛一的平均密度僅為水的1.2倍，其表面有凍冰的特徵。根據這些理由，可以認為，土衛一的主要成分是冰。它的表面明亮，布滿碗形的深隕石坑。隕石坑深度大，是因為表面重力小的緣故。土衛一上最引人注目的表面結構是一個直徑130公里的環形山，它位於朝向土星一面的半球中央。山壁高5千米，底深10公里，中央有一座長6千米的山峰。這是太陽系中已發現的、整體最大的隕擊結構。

土衛二是土星的第三顆大衛星。在美國行星探測器「旅行者」2號於1981年從這一天體附近飛過以前，人們除知道它的軌道外，其他一無所知。在探測器靠近到87140公里處，發現土衛二有複雜的地質結構。觀測表明，土衛二已經歷了5個不同的演化時期。幾個無環形山區域的年齡不超過1億年。由於這一時段只佔土衛二整個壽命的2%，似乎可以認為它還是一顆仍處於「活動期」的衛星。繼續進行這種地質活動的能量可能來自土星和土衛四的起潮力。土衛二的直徑為500公里，以圓形軌道環繞土星公轉，和土星的平均距離為238020公里。平均密度只比水大10%，說明它的成分有一半或更多是冰。在土星的衛星中，土衛二的密度是最低的。它的反照率達100%，雖有環形山和崎嶇的原野，但基本上是平坦的。

土衛三的主要成分是純水冰。它的直徑1060公里，在離土星294660公里處環繞土星運行。土衛三有兩個值得注意的特徵：一是有一條長達整個星球周長四分之三，佔了整個表面5%到10%的大裂縫。據推測，大裂縫是衛星內部的水的凍結膨脹造成的；一是有一個直徑400公里的環形山及內部巨大的中央峰。

土衛四的直徑為1120公里，在平均距離為377400公里的近圓軌道上繞土星順行。它66小時左右公轉一周，正好是土衛二公轉周期的2倍，估計是由於土衛二的潮汐熱能所致。由於潮汐摩擦，土衛四的自轉與公轉同步，也總是以同一面對著土星。土衛四的表面亮度差別頗大，面朝軌道運行方向的前半面通常比後半面亮。但平均起來說，土衛四的反照率是很高的。據此猜測，它的表面由大量的冰構成。衛星密度是水的1.4倍，估計它由約40%的岩石與60%的冰構成。在這顆衛星上顯然曾發生過大量冰溶化和地殼表面再造活動，因而同其他土星衛星相比，表面上環形山較少。大多數環形山都在朝軌道運動的亮面上。較暗的後半面則被許多形成網狀結構的亮紋所割裂。其中有些是呈線狀的槽溝和山脊。這些亮紋被解釋為可能是由於揮發性物質從土衛四內部沿線狀裂縫冒出並重新凝結而成的。儘管在土衛四背面網狀結構中央附近也有大碰撞的跡象，但對土衛四表面為什麼有這種明顯的不對稱性迄今仍不清楚。

土衛五的直徑為1530公里，在平均距離為527040公里的近圓軌道上繞土星順行。密度是水的1.3倍，因此，一般認為它主要是由冰構成的。紅外光譜也顯示其表面主要由霜構成。土衛五表面的反照率較高，但在不同區域有很大差別。同大多數土星的衛星一樣，土衛五的自轉與公轉也是同步的，因而也總是以同一面對著土星。同土衛四一樣，土衛五朝軌道運行方向的前半面既亮又多隕石坑，而後半面則較暗，而且上面只有一些亮紋和少量的隕石坑以及一些表面再造的跡象。儘管在土衛五的表面冰多於石，多隕石坑的一面卻很像水星和月球上的那些密布隕石坑的高地。在土星系中，表面隕石坑最多的就是土衛五。在溫度極低的情況下，冰與岩石顯然有相似的力學性質。在隕石坑少的那一面，可看到亮的，呈線狀或折線狀的條紋，它們可能是大規模表面再造和一些揮發性物質（如水或甲烷氣體）從裂縫裡大量冒出的結果。隕石坑中的亮斑也可能是這種情況造成的。

土衛六是土星最大的衛星，也是太陽系中唯一已知有雲和稠密大氣的衛星。荷蘭科學家惠更斯於1655年發現。土衛六的實體直徑為5150公里，僅次於木衛三，是太陽系第二大衛星。它在一條橢圓形軌道上繞土星運行，公轉周期差不多相當地球16天。一般認為它公轉與自轉同步，所以總是以一面對著土星。整體密度為每立方厘米1.881克，說明它內部是岩石和結冰物質的混合物，結冰物質可能含有固態的氨和甲烷以及固態的水。土衛六表面溫度和大氣壓是「旅行者」1號探測器於1981年測到的，溫度為零下179度（正負差2度），大氣壓約1.6巴，（相當於1.6倍地球表面大氣壓）。土衛六的大氣成分主要是氮（和地球相似），還有甲烷、氫、一氧化碳和二氧化碳等，還包括一些有機氣體，如乙烷、乙炔等。土衛六被包裹在一層深紅色的煙霧內，這層煙霧很可能是一種更複雜的有機固體所形成的氣懸膠，經由大氣層緩慢沉降而堆積在表面上。在土衛六整個演化史所形成的量（主要由落在氨和甲烷大氣上的太陽紫外光造成）約相當於覆蓋表面深達至少幾百米的一有機連續層。在球面之上和大部分不透光的有機煙霧之下，有一層凝結甲烷的濃密雲層。有些證據顯示，球體表面大部分為一片廣大的液態甲烷和乙烷構成的海洋所覆蓋。地球作為各種類型有機分子的深凍貯藏所，導致40億年前在地球上出現了生命，而太陽系內可能有生命的場所是在液態碳氫海洋內，所以，土衛六在未來的空間探測中無疑是一個重點目標。

土衛七是土星一顆較小的衛星，它每23.3天繞土星一周，距土星1481000公里，位於土衛六和土衛八軌道之間。它是外形不規則的天體，其大小為410公里×260公里×22公里。具有較高的反照率（30%），這說明它表面為冰霜所覆蓋。

土衛八是土星衛星系統中的一個外圍衛星，以其表象而顯異常。法國天文學家卡西尼1671年發現。土衛八以79.33個地球日環土星一周，與土星的距離為3561000公里。半徑730公里左右，整體密度1.16。一個具有如此小的密度的固態天體只能是主要由冰組成。已觀測出土衛八的自轉周期等於其公轉期，這和月球的情況一樣。土衛八的固態表面受近距的其他大行星的引力作用也出現潮汐。其結果是土衛八的一面在其軌道運動中總是朝前，而另一面總是後隨。朝前的半球只反射出照射其上的日光的一小部分而顯得特別黑暗，而後隨的半球卻是一個比朝前的半球亮10倍的良好反射體。在太陽系所有天體中，它是亮度變化幅度最大的一個。「旅行者」號探測器在朝前的半球上發現有隕擊的環形坑，但在後隨的半球上沒有。明亮的後隨半球的表面物質中，可以肯定的是有水冰，不太肯定的是甲烷和其他的冰的混合物。朝前半球表面上的黑暗物質被認為是有機分子化合物，或許來自土星最外圍的衛星——土衛九，或許是太陽紫外輻射冰中的甲烷而就地形成的。若是後面一種方式，甲烷冰的快速蒸發，以及受微隕石的轟擊將表面物質從朝前半球彈道式傳輸到了後隨半球，這或許可以解釋前後兩半球的亮度不對稱性。

土衛九直徑約220公里，距離土星平均距離約為12952000。是已知土星衛星中距土星最遠的一個。軌道偏心率很大，同土星環面的傾角也很大。它是一顆規則衛星，但為逆行。在土衛一至土衛十這10顆土星衛星中，土衛九是唯一的逆行衛星，它繞土星的轉動方向和土星繞太陽的轉動方向相反。因此，土衛九可能是一顆被俘獲的像小行星那樣的天體，而不是土星原來固有的衛星。

土衛十是一個不規則形狀的小衛星，它和土衛十一使用兩條距離只有五十公里的軌道環繞土星運行，當它們非常接近時，便會交換軌道，較外的轉到較內，較內的轉到較外，這情況每四年發生一次。目前，這是一個罕見的情況，「卡西尼」號探測器到達土星後將會查明原因。由於土衛十的表面受了很多大大小小的撞擊，因此相信它的表面有數十億年的歷史。

土衛一至土衛九大小比較1675年，一位叫卡西尼的科學家發現土星環中間有一道縫隙，這道縫隙後被命名為「卡西尼縫」。他還猜測土星環是由無數小顆粒構成的，而當時人們都認為那是一個固體物質盤。300多年後的今天，一艘以他的名字命名的飛船圓滿完成了人類探測土星的任務。

1997年10月15日，20世紀最大的行星探測器「卡西尼」號飛船攜帶探測器「惠更斯」由大力神4B運載火箭從肯尼迪航天中心發射成功，從此踏上耗時七年長達32億公里的土星之旅。探測器直徑約27米，總重6噸多，由軌道器和「惠更斯」探測器組成。它的主要任務是，對土星、土星光環及土星的衛星，尤其是其中的土衛6進行空間探測。

發射成功

「卡西尼」軌道器重2150公斤，重350公斤的「惠更斯」子探測器安裝在它的側面。探測器載有3100公斤的推進劑。由於土星距地球比木星距地球還遠，探測器任務又極為複雜，所以對軌道器設計提出了很高的要求，超過「伽利略」探測器，而成為最複雜的「神探」。從1990年開始研製，到2008年「卡西尼」完成任務壽終正寢，這項計劃總開支約34億美元。探測器是國際合作的結晶，其中「卡西尼」軌道器由美國建造、「惠更斯」號探測器由歐洲太空總署提供，「卡西尼」號的碟狀高增益天線由義大利天文總署製造。

由於土星距太陽很遙遠，所以僅用太陽能電池陣提供能源是遠遠不夠的，為此，與「伽利略」木星探測器一樣，「卡西尼」土星探測器載有3台鈈放射性同位素熱發電器提供電力，這種發電器靠鈈自然衰變發出的熱量來產生直流電，它的工作壽命很長，到「卡西尼」完成使命時，還能發生628瓦的電力。

「卡西尼」軌道器上載有12台科學探測儀器，子探測器攜帶6台科學儀器，其重量之大，即使用目前推力最大的商用火箭大力神4B，也無法使這一龐然大物加速至可以直飛土星的速度。因此它只能通過多次借力飛行，利用金星、木星等的引力來完成這次「長征」。「卡西尼」1997年10月15日升空後，將要花費7年時間，飛越32億公里，於2004年7月才能抵達土星。屆時，探測器上的發動機點火使探測器進入土星軌道開始對土星光環和包括「土衛六」在內的土星衛星家族進行為期４年的深入探測。同年11月15日所攜帶的「惠更斯」子探測器被釋放出去，並於12月16日進入土星最大的衛星（土衛六）進行探測。軌道器的工作壽命為4年。在繞土星飛行的過程中，它還將飛越土衛六數十次，有些飛越離該衛星的距離僅有850～950公里。

火箭大力神4B

借力飛行示意圖最後，2005年1月14日，「惠更斯」將降到太陽系中最大的衛星-土衛六的表面。當它沖入土衛六稠密的大氣層時，速度達到7倍音速，併產生大量的熱。下降過程中，探測器的電池將提供約153分鐘的能源，各種儀器全部打開。下降過程將至少拍攝1100張圖像。此期間所得到的數據和圖象，用無線電信號即時傳送給軌道上的「卡西尼」號飛船，然後再傳回地球。人們希望知道，土衛六的表面，是一片汪洋，還是堅實的土地，或者有山有水甚至有生命。