張軼

大約400年前，伽利略通過望遠(yuǎn)鏡觀測到了土星精致而絢麗的土星環(huán)，它就像一枚巨大而華麗的“指環(huán)”，包圍著土星，但這枚“指環(huán)”現(xiàn)在正在以驚人的速度消失。而我們有可能在無從知曉土星環(huán)形成秘密的時(shí)候，就要和它說再見了。

來歷不明

土星是太陽系中一個(gè)非常獨(dú)特的行星。雖然木星、天王星和海王星這樣的氣態(tài)巨行星也有行星環(huán)，但沒有一顆行星的環(huán)像土星環(huán)這般雄偉和壯麗，它的寬度甚至達(dá)到了幾十萬千米！這樣一個(gè)獨(dú)特的行星環(huán)引起了科學(xué)家們的強(qiáng)烈關(guān)注：它究竟是如何形成的？

土星環(huán)是太陽系中最引人注目的行星環(huán)，環(huán)中有許多大小不一的顆粒，計(jì)量單位從微米到米不等。環(huán)中的主要成分是冰粒（大約95%）以及少量的巖石殘骸、塵土和其他的化學(xué)物質(zhì)，環(huán)的形狀像是一個(gè)繞著土星旋轉(zhuǎn)的、有環(huán)縫的圓盤。這個(gè)圓盤的平均寬度大約是20萬千米，而地球的直徑是1.28萬千米左右，計(jì)算一下，這個(gè)圓盤竟可并排放上十幾個(gè)地球呢！可想而知土星環(huán)該是如何地巨大。

有人認(rèn)為，這個(gè)巨大的土星環(huán)是土星衛(wèi)星向土星遷移導(dǎo)致的。大約40億年前，土星衛(wèi)星和土星相互作用，導(dǎo)致衛(wèi)星向土星遷移。在遷移過程中，衛(wèi)星的冰殼在土星的引力作用下，從衛(wèi)星上被撕裂剝落，形成了數(shù)不盡的純凈冰粒。這些冰粒形成了土星環(huán)，剩下的衛(wèi)星內(nèi)核則被土星吞噬。但卡西尼號太空探測器（2004年開始對土星進(jìn)行考察，2017年燃料用盡后進(jìn)入土星，成為土星的一部分。）拍攝的土星環(huán)照片卻和這個(gè)理論相悖。

就像純白衣物會被灰塵“染黑”一樣，純凈的冰粒誕生后，也會被星際塵埃和灰土“染黑”。如果冰粒真的是在40億年前形成的，那么冰粒已經(jīng)被“染”了40億年，現(xiàn)在的土星環(huán)即便不是黑色，也應(yīng)該是暗色的才對，但卡西尼號拍攝到的土星環(huán)整體卻呈白色，這證實(shí)冰粒還是純凈的。

正因如此，大部分人更傾向于相信土星環(huán)剛誕生不久，也許只有1億年到2億年。和土星的40億年“高齡”比起來，年齡只有1億年到2億年的土星環(huán)著實(shí)像一個(gè)剛出生的、純凈無暇的嬰兒。與此同時(shí)，人們對土星環(huán)的形成也有了新的看法：1億年到2億年前的某一天，土星軌道上的冰殼衛(wèi)星被路過的行星或彗星的引力擾動(dòng)，原本在不同軌道“相安無事”運(yùn)行著的衛(wèi)星，運(yùn)行軌道突然發(fā)生了變化。在某個(gè)時(shí)刻，軌道發(fā)生變化的衛(wèi)星“撞車”了，“撞車”導(dǎo)致衛(wèi)星冰殼發(fā)生分裂剝落，最終形成了土星環(huán)。

但這一假說同樣存在缺陷。試想一下，兩個(gè)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的物體發(fā)生碰撞，必定會產(chǎn)生無數(shù)向外高速噴射的碎片，有什么東西可以保證這些向外高速噴射的碎片都圍繞著某個(gè)中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)呢？可能土星的引力都不一定能做到。

所以到現(xiàn)在為止，土星環(huán)的形成機(jī)制依然是迷霧重重。而科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在還沒來得及解釋土星環(huán)形成機(jī)制的時(shí)候，它卻已經(jīng)“收拾行囊”，準(zhǔn)備消失在我們的視線中了。

“雨后即逝”

“能夠看到土星環(huán)，我們很幸運(yùn)。遺憾的是，我們錯(cuò)過了木星、天王星和海王星巨大的行星環(huán)，它們現(xiàn)在只有薄環(huán)。”一位科學(xué)家說。而卡西尼號探測器最后一次的飛行顯示，土星環(huán)也在慢慢變??！變薄的原因是土星環(huán)內(nèi)的大量冰粒進(jìn)入土星，并在土星上空下起了暴雨。

前文提到，土星環(huán)主要由冰粒組成，它們大小不一、形狀各異，有的小到像一顆沙子，有的則大到像一塊巖石。這些冰粒在土星環(huán)內(nèi)保持著一種微妙的力平衡：土星的引力想把它們拉入土星，軌道速度卻想把它們拋向太空。

當(dāng)受到太陽的紫外線或是隕石撞擊產(chǎn)生的等離子體等物質(zhì)的作用時(shí)，冰粒會帶電，帶電的冰?？梢愿惺艿较騼?nèi)的土星磁場的拉力，冰粒上的平衡被打破，土星引力會帶領(lǐng)這些冰粒沿著磁場方向進(jìn)入土星，并在引力作用下發(fā)生墜落。

當(dāng)進(jìn)入到土星大氣層時(shí)，帶電冰粒產(chǎn)生的水會和土星高層大氣的電離層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成大量降雨的同時(shí)，還會產(chǎn)生可以發(fā)出紅外光的H3+離子。夏威夷的凱克望遠(yuǎn)鏡觀察到，H3+發(fā)出的紅外光的強(qiáng)弱和降雨量有著密切聯(lián)系：當(dāng)降雨量很小時(shí)，H3+離子的紅外光很強(qiáng)烈;當(dāng)降雨量很大時(shí)，H3+離子發(fā)出的紅外光反而很微弱。

科學(xué)家們分析了這些紅外光，并結(jié)合旅行者1號和旅行者2號（均是太空探測器）的觀測結(jié)果發(fā)現(xiàn)：土星環(huán)向土星傾注了太多的水，甚至達(dá)到每秒1800千克;在土星赤道附近，偶爾還會下起大暴雨，其造成的降雨量高達(dá)每秒9900千克！它會加速土星環(huán)的消亡，以至于在3億年甚至1億年內(nèi)，土星環(huán)可能就會消亡。也就是說，土星環(huán)的壽命可能只有2億年到5億年。

想象一下，沒有環(huán)的土星是什么樣子的？它看上去會十分普通，也不再是太陽系的奇跡之一。所以，現(xiàn)在我們應(yīng)該盡可能地去探索這個(gè)神秘的“指環(huán)”，力求在它“雨后即逝”之前，洞悉它的形成秘密之后，再跟它說一聲：“再見?！?/p>

7個(gè)關(guān)于土星的有趣事實(shí)

1.土星是太陽系所有行星中，唯一一個(gè)密度比水小的行星，僅有0.68克每立方厘米。如果把它放在水里，它會漂浮在水面上。

2.土星是太陽系中體積僅次于木星的行星，可以容納760多個(gè)地球。

3.土星不像可以“腳踏實(shí)地”的地球，它沒有固體表面，因此你不能站在土星上。土星主要由氫和氦構(gòu)成。

4.土星上的風(fēng)很大，赤道附近的風(fēng)速甚至達(dá)到每小時(shí)1800千米。在地球上，最快的風(fēng)可能只有每小時(shí)400千米。

5.土星繞軸旋轉(zhuǎn)很快，土星上的一天約為10小時(shí)41分鐘;但土星繞太陽旋轉(zhuǎn)很慢，土星上的1年超過29個(gè)地球年。

6.由于繞軸旋轉(zhuǎn)得太快，土星變得扁平，赤道半徑比極地半徑大了近10%，赤道半徑約為60268千米，極地半徑約為54364千米。

7.土星（Saturn）是英文單詞“Saturday”（星期六）的詞根。

為什么降雨量越大，紅外光越弱？

紅外光又叫紅外線，是波長比可見光要長的電磁波，會產(chǎn)生紅外輻射。在傳輸過程中，紅外輻射會被傳輸介質(zhì)顆粒吸收和散射，因此輻射能會在傳輸過程中逐漸衰減。當(dāng)雨下得越大時(shí)，雨水顆粒越多，紅外輻射被吸收和散射的現(xiàn)象越嚴(yán)重，因此紅外光越弱。

等離子體是什么？

等離子體是宇宙中一種十分常見的物質(zhì)，它由離子、電子以及未電離的中性粒子（對外不呈電性）的集合組成，整體呈中性，是不同于固、液、氣的物質(zhì)狀態(tài)。常見的等離子體是高溫電離氣體，如日光燈中的發(fā)光氣體。