土星：本体、光环和卫星

理良

提到土星，人们很快就会想到它那美丽的光环。在望远镜里它酷似一顶宽檐草帽。土星是距太阳第六远的大行星，是早期天文学家所认识的最遥远的行星。我国古代除以五行（土）为其命名外，还称其为“填星”或“镇星”；西方国家称其为萨特恩（Saturn），即罗马神话中的“农神”。

土星距离太阳的平均距离是9045天文距离单位（约14亿公里）其椭圆轨道偏心率e=0.056。轨道面与黄道面交角为2°.5。土星公转周期约为29.5年，其自转情况类似于木星，即自转很快，角速度随纬度而不同。它在赤道上自转周期为10时14分；在纬度60度周期为10时40分。

土星本体体积仅次于行星之王——木星，根据地面观测书记和照片资料分析，土星也具有木星的一些特点，如其表面呈现亮暗相间的条纹、暗斑或亮斑。1933年8月，一位英国喜剧演员用一架小望远镜发现了一个白斑，它出现在土星赤道区，后来白斑不断扩大，几乎蔓延到整个赤道带。土星条纹在亮度和色彩的反差都比木星小的多。还有资料表明，土星赤道带喷流比木星强烈的多。

土星的质量是地球的95.18倍。有科学家提出了关于土星本体结构模型：土星核心直径约为12，000公里，由处在极高压力下的岩石和铁组成，密度约为6克/厘米3；中层主要由水、冰和氢组成，厚约36，000公里，密度约为1.55克/厘米3，外层厚约18，000公里，主要由氢，氦等轻质气体组成，密度约为0.25克/厘米3。由此模型推算出，土星密度是0.7克/厘米3，由此可见，土星的密度比水还轻。倘若它能处在一个广大无比的海中，它会像皮球似的漂浮于水面上。

通过望远镜可观测到，土星有三层美丽的光环。靠外的A环与靠内的B环之间被易于看见的卡西尼环缝所隔开，C环更为靠近土星本体，但是显得非常暗弱。卡西尼环缝宽约5，000公里，它是1675年法国天文学家卡西尼首先发现的。1966年和1969年天文学家用光电测光法又发现了在C环内有一层更暗的D环，而A环之外又有一层E环，环缝分别以“恩克”和“法兰西”命名。D环非常靠近土星本体；E环是所有环中最宽的一个环，达四十万公里，一直延伸到土卫四。１９７９年９月，美国“先驱者１１号”宇宙飞船又发现了另外两个光环（F环和G环）及一个还缝（称为先驱者唤缝）。

由观测知道，土星环虽然很宽，可是很薄，厚度大约为１０公里，早期的土星观测发现，土星环有几年会“消失”，即成为线性光环，不易观察；有几年会像一个圆饼；有几年会像一个宽边草帽。其原因在于，土星在绕日运行中，其朝向地球的位置会发生变化，因此大约每隔１５年光环会“消失”一次。

土星是太阳系中拥有卫星最多的行星、。在１９７９年以前的天文教科书上，写明土星有９颗或１０颗卫星。其中最大的一颗是土卫六，是荷兰天文学家惠更斯于１６５５年３月发现的，其后不久他又发现了土星光环。１９７９年以来，共有三艘宇宙飞船即“先驱者１１号”、“旅行者”１号和２号飞探了土星，结果发现土星共有２３颗卫星。有科学家认为，土星卫星的数目仍不只于此。三艘宇宙飞船向地球发回大量有关土星本体、光环和卫星的各种探测数据和彩色照片，关于土星的教科书不得不重新改写。

飞船拍摄的土星照片展示，土星体呈淡黄色,北极区呈浅蓝色，腰部环绕着彩色的带状云，云上呈现一些美丽的斑点，晕圈和丝条及旋涡状动态结构。土星也有一个大红斑，但比木星大红斑要小的多。土星大红斑是一个长8，000公里，宽6，000公里卵形区，呈橘红色，一般认为，它是一次巨大的飓风所致。此外，在土星表面还发现有灰暗的卵形区，他可能是土星大气流上升后又下降进入云层时引起扰动和旋转形成的。

“先驱者11号”在距土星128万公里处发现了土星磁场，并且绘制了磁场图，土星磁场强度只有木星磁场的20分之一，是地球磁场的1，000倍。土星次曾整体象个“大鲸鱼”，即其头部圆钝，磁尾粗壮。位于磁层内的土星辐射带的10倍。土星磁场的磁轴几乎与自转轴重合，约为0°.7科学家认为，土星磁尾张角非常之大的原因在于，太阳风运动至此已很弱。宇宙飞船在六万公里之外接收到了土星发射的无线电波，表面提醒具有较强的电磁辐射。人们在分析“旅行者”发回资料中发现，土星上存在一种巨型雷暴闪电，其跨度达六万多公里。闪电频率范围很宽，爆发周期为几秒钟。

“旅行者”宇宙飞船在飞跃土星时发现，土星环既不是5个也不是7个，而是成千上万个，飞船发回的照片显示，土星环环中有环，令人眼花缭乱。乍看起来，这些光环酷似一张密纹唱片上的纹路。经仔细观察知道，土星环原来并不是过去人们认为的简单的一环套环的结构，而是呈螺旋转动的波浪状。令人惊异的是，光环的形状各异，有的环呈现不对称的锯齿形，有的呈辐射状，有的竟然象发辫一样一股套一股地扭合在一起，例如F环就是由三股小环扭结而成。有人认为，F环的这种结构可能是由于F环两侧有两颗“引导”卫星的引力作用的结果。奇怪的是，“旅行者2号”宇宙飞船并未在环缝中发现“引导”卫星。

土星环是由无数大小不等的颗粒组成。其中有直径约几微米到几米的粒子或砾石、冰块以及其他物质组成的混合体。这些物质以很高的速度围绕着土星运动，在太阳光照射下呈现出多种颜色。由于颗粒疏密不一，光环颜色也有深有浅。关于土星环的成因，有的理论认为它是在行星形成时期剩留下来的原始物质；也有人认为它原是土星卫星在潮汐力作用下分解散布的碎片。

现在已经确认的土星卫星共有23颗，新发现的13颗土卫中，有两颗是“先驱者11号”发现的；“旅行者1号”发现了5颗；“旅行者2号”发现了6颗。这些卫星的体积大多很小，只有5颗卫星的直径超过100公里，有的直径仅二三十公里。

在土星卫星中，土卫九距离土星最远，平均距离约1，293万公里，其公转周期约为550.4天，卫星半径约100公里。距离土星最近的是土卫十五，平均距离约13.7万公里，公转周期为0.601天，其半径只有15公里。

科学家从“旅行者1号”发回的资料中发现，土卫四的轨道上还有一颗小卫星，有趣的是，这颗小卫星在土卫四前方60°的秤动上（即土星和土卫四引力平衡点）上绕土星运行。由于小卫星和土卫四间的相对距离保持不变，科学家称其为土卫四B,也称它为土卫四的“伴星”。土卫一和土卫三也有这种“伴星”的情况，土卫三的“伴星”可能有三、四个之多。许多卫星上都存在着坎坷不平的地形，有的是裂缝，有的是陨石坑或明显的凹纹和斑点。土卫一和土卫三表面覆盖着厚厚的冰层。从飞船发回的资料上没有发现任何火山活动的痕迹。

土卫六是地面天文学家长期感兴趣的天体之一。在“旅行者”号飞船探测土星以前，人们一直以为它是太阳系内最大的卫星，并根据观测结果，推测它上面可能存在生命，因为他拥有自己的大气层。“旅行者”号飞船测得土卫六的半径为2，414公里，小于木卫三的直径（2，575公里）。土卫六距土星平均距离约为122.2万公里，公转周期约15.9天。

宇宙飞船提供的测量数据证实，土卫六上的确存在浓密的大气，厚度达2，700公里，大气密度大于地球大气。土卫六大气中主要成分是氮气，约占98%，甲烷占1%，其他还有少量的乙烷，乙烯，乙炔和氢等。土卫六表面温度约在-190°C到-201°C之间，因此氮气在低温下凝成液氮，并在土卫六表面形成许多液氮湖。飞船上的红外探测仪在土卫六大气层顶端还发现一种可以孕育生命的氩氢酸有机分子。遗憾的是，并未发现存在任何生命的迹象。此外，土卫六能向外发射电波，使人感到迷惑。宇宙飞船对于土星的许多新发现，使科学家们受到极大鼓舞，同时也给人们提出了许多新的课题。

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