行星科普 | 土星

andyjo

土星——太空的标志（图源：NASA）

太阳系的全家福中，土星总是最别具一格的一个。对很多人来说，这个缠绕着绚丽光环的美丽星球是谈到地外世界时首先会浮现的景象，它成为了无数人心目中太空的标志。那么，就让我们一起走进这个迷人的大家伙吧。


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走近土星

按照距离太阳由近及远的顺序，土星是太阳系的第六颗行星，轨道半径约10au（约为日地距离的10倍），公转周期约为29.5年。

在太阳系的行星中，它的体积和质量仅次于木星。土星的半径约是地球的10倍，质量约是地球的95倍，稳坐太阳系行星的第二把交椅。

土星是一个密度极低的行星，平均密度只有约700g/cm3，为地球平均密度的八分之一，小于液态水的密度，因而经常被调侃为“能够浮在水面上的行星”。

作为气态巨行星，土星的自转速度很快，一昼夜仅有10.5小时，仅仅慢于木星，是太阳系自转速度第二快的行星。高速的自转让土星非常扁平，形成一个明显的椭球形状，其长轴和短轴长度相差几乎10%。

土星最鲜明的特征就是由冰晶和岩石颗粒组成的明亮宽阔的光环，这些小颗粒与土星的数十颗已命名卫星一样，在环绕土星的轨道上运行。

近年来土星在天空中位于银心附近，我们在夏夜的南方低空很容易看到这个发出黄色光芒的行星。


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土星发现史

太阳系的五颗行星（水星、金星、火星、木星与土星）是夜空中非常明亮的天体，它们又相对于星空背景不断运行，所以人类很早就注意到了它们的存在。在古典时期，土星在全世界的各种文明中都拥有重要的文化含义。

在罗马神话中，土星象征农业之神Sāturnus，它与希腊神话中的丰收之神克洛诺斯Κρόνος的地位等同，这也是土星如今的英文名字Saturn的由来。星期六Saturday（拉丁语Sāturnī diēs，意为Saturn's day）的命名也与土星相关。

在古代中国，天空中五大行星分别对应于五行，土星之所以与“土”对应是缘于它泛黄的颜色。土星同时被称作“镇星”，因为它在星空背景里运行一周大约需要28年，好像每年镇守二十八宿中的一宿。

土星的光环无法用肉眼分辨，因而直到光学望远镜被发明出来之后，土星的光环结构才逐渐被揭示出来。17世纪时，伽利略认为他看到的是土星两侧的两颗距离很近的卫星，而后来惠更斯使用分辨率更高的望远镜证实了光环的存在。从卡西尼发现了著名的卡西尼环缝开始，土星光环的精细结构开始被揭示出来。



罗伯特·胡克于1666年绘制的土星示意图（图源：Wikipedia）

从惠更斯发现土卫六开始，近代的天文学家陆续发现了大量的土星卫星，人们开始注意到如轨道共振这样的运行特征。

自太空探索时代起，人类对土星展开了更细致的研究。先驱者11号是人类第一艘飞掠土星的探测器，它对土星、土星环、土星卫星进行了近距离的观测。

两艘旅行者号探测器对土星的探测是里程碑式的。它们对土星进行了高分辨率的成像观测，还研究了土星的大气、土星环的变化等问题。旅行者1号还近距离飞掠了土星的著名卫星土卫六，尽管其不透明的大气让探测的成果并不如预期。

卡西尼号探测器是迄今为止唯一一颗进入环绕土星轨道的空间探测器，它携带的惠更斯号探测器还完成了在土卫六上的着陆。它是人类最重要的土星探测项目，我们对土星的深入了解有相当大一部分要归功于它。这艘探测器于2017年结束任务后坠入土星大气层，为它辉煌的探测生涯画上了圆满的句号。



卡西尼号环绕土星的艺术概念图（图源：Wikipedia）


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土星的物理

组成与内部结构

土星是一个没有明确的外表面的气态巨行星，其主要成分是氢和氦，和整个宇宙的物质成分是类似的。



土星的内部结构和光环示意图（图源：Wikipedia）

土星的内部结构和木星是相似的。土星的最内层是一个小的岩石核心，其外是金属氢构成的较厚的壳层，再向外则是液态的氢和氦，然后随着压力降低，液相逐渐变为气相——二者之间没有明显的界限——最外层1000km厚的壳层由各种气体组成。

土星的外观与木星相比更加单调，黄色的表面没有太多的细节。可能的原因是，土星的云层顶端漂浮着一层薄雾，遮盖了行星的纹理。

热辐射

土星向外辐射的能量约是它接收到的太阳辐射能的2.5倍，这一性质和木星相同，但是二者的成因却不能一概而论。由于土星的质量较小，其形成过程中释放的引力势能不足以解释向外辐射的能量值。

一个有趣的额外产热过程是“氦液滴”机制。较重的氦滴从密度较小的氢中下沉，下沉的过程中产生摩擦，从而释放出一定的热量。根据此理论，这个过程会导致土星表层氦元素的流失，同时可能在核心周围形成一个氦的壳层。

六角云团

土星北极的云层具有奇特的外观，极区的涡流围绕北极点形成了一个规则的正六边形，这就是土星著名的“六角云团”。一颗气态行星上形成如此棱角分明的几何形状，是颇令人意外的。



土星北极鲜明的正六边形图案（图源：Wikipedia）

对六角云团的解释依旧没有定论。一个比较受欢迎的解释是土星自转的过程中大气形成了一定模式的驻波，造成了六角形的外观。流体的较差自转形成的类似效应已经在实验室中得到了验证。

值得一提的是，土星的南极并没有出现这样的六角云团，而是呈现出台风的结构，具有鲜明的风眼壁云团结构，这样的风眼壁结构在除地球外的行星上是绝无仅有的。

土星的磁场

土星的磁场是非常简单而规则的偶极磁场（像普通永磁体一样）。它的强度并不算大，大约只有木星的1/20，甚至比地球还略小一些，因此土星的磁层相当薄。

土星磁场的来源和木星相似，都是由金属氢层的环流导致的，这是星体磁场成因中相当常见的磁发电机原理。

与地球相仿，土星的磁场能够产生极光，并为观测所捕捉。



土星极光（图源：Google）

光环与卫星

美丽的光环可谓是土星最鲜明的特征，这是太阳系行星中最复杂、最精致的光环系统。它非常宽阔，在土星赤道面上从接近高层大气的位置一直延伸到土星以外很远的地方；但它却是令人难以置信得薄——厚度平均只有几十米。



卡西尼号拍摄的土星光环照片，其中显现出大量精细结构

（图源：Wikipedia）

光环的成分为冰晶和少量岩石，颗粒的大小从微米级到一辆卡车的大小不等，大部分颗粒的大小在数厘米到数米之间。

土星的光环沿径向呈现出界限分明的许多层，它们由大写字母加以标记。A、B和C三个环最为鲜明，其中A环和B环尤为明亮，这两层光环在地面上用小型望远镜就能够轻松看到，因此它们形成了人们对土星环的一般印象。

除此之外，土星还有一些更为稀薄的光环，如C环内侧靠近土星表面的D环，以及C环之外的F、G和E环。这些环非常黯淡，基本上是由飞临土星的空间探测器发现的。

土星的环与环之间和环的内部分布有许多没有多少物质的缝隙，它们被称为环缝。最著名的环缝当属A环和B环之间的卡西尼环缝，它非常清晰，用口径较大的业余望远镜就可以轻松看到这个明亮光环之间深色的鸿沟。



土星光环结构简图（图源：Fundamental Astronomy, Springer）

土星环的清晰边界及环缝的成因与轨道共振有关。具体说来就是土星某颗卫星和环缝处物质的轨道周期有着简单的比例关系，这使得卫星总在同一方向对环缝处的物质施加引力，导致物质逐渐远离轨道共振的区域。

土星环很有可能是和土星一起形成的，它或许来自于一个因为某种原因破碎的卫星。如果把环的所有物质团成一个球，它的直径约为600km，和一颗卫星的典型尺寸相当。

说到卫星，截至目前土星共有62颗已证实的卫星，它们中的大部分都是直径小于100km的小块头，只有少数几个具有值得一提的大小和性质。

通体土黄色的土卫六（Titan）无疑是最引人注目的一个。它是太阳系中仅次于木卫三的第二大卫星，拥有太阳系卫星中最浓密的大气。厚重的大气掩盖了所有的表面细节，就像地球的姊妹金星一样。



土卫六图像（图源：Wikipedia）

具有大气的岩石天体是致力于搜寻外星生命的人所感兴趣的。旅行者1号曾为了对土卫六的近距离探测而放弃了探测后面两颗行星的行程，但它的厚重大气却让探测器的光学相机无计可施。没有探测到任何表面特征，这让很多人为旅行者1号提前结束行程而感到惋惜。

后来卡西尼号探测器对土卫六进行了雷达成像，并释放了惠更斯号着陆器到土卫六的表面，人类终于弥补了之前的遗憾。探测器发现了由烷烃组成的海洋和湖泊，烷烃在土卫六上的行为和地球上的水一样。科幻家们于是也可以幻想人类的能源危机可以藉由土卫六而解决。

土卫二（Enceladus）是一颗直径500km的卫星，它最鲜明的特征是表面被干净的水冰覆盖，它也由此成为太阳系内反照率最高的天体之一。许多证据表明土卫二的内部有一定的地热活动，这些热量或许能够在冰层下维持一个液态水的海洋。有人认为它是太阳系内除地球外最宜居的天体。



卡西尼号拍摄的土卫二（图源：Wikipedia）

土卫一（Mimas）最鲜明的特征是一个巨大的陨石坑。如果撞击它的天体再大一点，这颗卫星就将粉身碎骨。它的轨道在土星光环中间，其引力对土星环的结构有着深刻的影响。



卡西尼号拍摄的土卫一（图源：Wikipedia）


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一些私货

如果用一张图来描绘“外太空”，一个被光环围绕着的球形天体是再合适不过的了。这自然是土星在人们心中的映像，人们一看到这个形状便能够联想到美丽奇特的太空世界。明亮光环的存在让土星显得太特殊，地球上见不到任何与之相似的事物，正因如此它才得以成为地外世界的标志。

但土星并不是那么与众不同，因为可以说每一个行星都是极为特殊的。在了解过太阳系的行星之后，我们会发现行星之间的个性远多于共性，每一颗行星都有大量独一无二的特点，其相互之间是完全独立的研究课题。位置、初始质量、化学组成、早期的撞击等种种必然或偶然因素的差别，将对行星的性质和演化轨迹产生巨大的影响，行星这个舞台因此能够孕育出令人叹为观止的多样性。

土星是迷人的，太阳系的其它成员也各自有着独一无二的魅力，土星之外是更加冰冷的外层空间，那里的天体又将呈现出截然不同的形态。

人类空间探测的步伐（图源：Wikipedia）

【参考资料】

①  Wikipedia: Saturn, Titan, Enceladus, Mimas

②  Fundamental Astronomy, Springer

③《天文爱好者》2015年7月：土星的光环系统（二）

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文案：张亦松

编辑：蔡思琪

审核：赵鑫淼

封面及插图源于网络