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第26章 美丽光环的拥有者—土星

 土星基本情况

土星和其他行星一样,也围绕太阳在椭圆轨道上运动。土星绕太阳公转的轨道半径约为9.54天文单位(约14亿千米),轨道的偏心率为0.056,轨道面与黄道面交角为2.5°,绕太阳公转一周约29.5年,公转平均速度约为9.6千米/秒。土星的自转很快,仅次于木星,其自转角速度随纬度而不同,在赤道上自转周期为10小时14分,在纬度60°处为10小时40分。土星表面也有沿赤道伸展的条纹带,表面为云层所覆盖。

土星直径119 300千米,土星只需10小时39分钟就自转一周。在如此快速的自转速度作用下,土星变成了一个明显的椭球。土星最引人注目的地方是环绕着其赤道的巨大光环。所有巨行星都有光环,但土星的光环是最显著的,在地球上人们只需要一架小型望远镜就能很清楚地看到它。土星的光环不是一个整体,它包含7个小环,环外沿直径约为274 000千米。光环主要由一些冰、尘埃和石块混合在一起的碎块构成的。这些碎块可能是一颗远古时代的土星卫星在土星系潮汐引力的作用下瓦解后剩下的残片。

土星有一层厚而浓密的大气层,大气的结构很像木星,以氢、氦等为主,只是氢比木星少些。宇宙飞船拍摄的照片显示出,土星呈淡黄色,北极区呈浅蓝色。大气中翻腾着由稠密的氨晶体组成的云,云上呈现一些斑点、晕圈、丝条和旋涡状动态结构,还有彩色的亮带和暗纹。土星也有一个大红斑,但比木星大红斑要小得多。土星的大红斑是一个长8 000千米,宽6 000千米的卵形区,呈橘红色,估计是由一次飓风所致。此外,在土星表面上还发现灰暗的卵形区,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。和木星风一样,土星风也是东西向的,但比木星风大,最大风速为500米/秒。

土星的表面温度为-140℃,云顶温度为-180℃,比木星低50℃。土星有一个直径为2万千米的岩石核心,核心外面就是土星大气。

 土星的卫星

土星有18颗经正式确认和命名的卫星,此外有12颗卫星未经最终确认。这些未经确认的卫星是通过“旅行者”号探测器拍摄的照片发现的,但此后还没有再次观测到过。最近,哈勃太空望远镜又观测到四个可能也是土星卫星的小天体。在众多的卫星中,只有土卫六有一个可以观测到的大气层。此外,大部分卫星的自转周期与公转周期相等,而只有土卫九和土卫十二是例外,它们的公转轨道是混乱的。土星有一个很有序的卫星系统,除了土卫九和土卫十三,它的多数卫星都沿着一个接近正圆的与土星赤道平行的平面运行。大部分卫星都由30~40%的岩石和60~70%的冰构成。

距土星最近的是土卫十五,它与土星的距离约为13.7万千米,公转周期为0.601天,其半径只有15千米;最远的是土星九,平均距离约1 293万千米,它距土星中心为216个土星半径。土卫八的轨道面与土星赤道面的交角为7.52°,属于不规则卫星。土卫九的轨道面与土星赤道面的交角为173°,逆行,轨道偏心率达0.163,也属于不规则卫星。其余的卫星均为规则卫星。有趣的是,土卫四、土卫十二、土卫十和土卫十一都是两同在一条轨道上,而土卫三、土卫十六和土卫十七则是三星同居一轨道。从飞船发回的资料看,没有发现这些卫星上有火山活动的痕迹。

 神秘的土卫六

在土星的卫星中,最能引起科学家兴趣的是土卫六。它是土星卫星中最大的一个,也是已知整个太阳系中惟一一颗拥有浓密大气层的卫星。它于1655年被荷兰天文学家惠更斯发现。长期以来,土卫六一直被认为是卫星中体积最大的,过去认为它的表面温度也不很低,因而人们推测在它上面可能存在生命。“旅行者”1号发回的数据却令人失望,它发现土卫六的直径只有5 150千米,并不是太阳系中最大的卫星(木卫三的直径最大,为5 262千米),它有一层稠密的大气层和一个液态的表面,其大气层至少有400千米厚,甲烷的成分不到1%,大气的主要成分是氦,占98%,还有少量的乙烷、乙烯及乙炔等气体。土卫六的表面温度在-181℃到-208℃之间,液态表面下有一个冰幔和一个岩石核心。飞船未发现存在任何生命的痕迹。土卫六能向外发射电波,使人感到迷惑。此外,土卫六轨道附近有一个氢云。

闪电一般出现在体积较大的行星上,如木星、土星等,天王星上也可能会出现,可像土卫六这样的小天体上,也会出现闪电吗美国宇航局戈达德空间飞行中心的德希和凯泽分析,“旅行者”1号1980年11月12日在土卫六云端飞行时,探测器内的行星射电探测仪器所获得的资料,认为即使土卫六上的雷电比地球上弱10万倍,也会探测到天电干扰的信号。可事实上他们的希望落空了。就在探测器最接近土卫六的100分钟里,仅发现了来自土星的信号,没有土卫六的任何信息。

由于人们对土卫六的情况知道得太少,因此有人估计土卫六闪电的输出功率仅是地球放电能量的千分之一。闪电可能在土卫六大气的物质组成和化学性质方面起了十分重要的作用,几种碳氢化合物的丰度可以通过阳光引起的反应来加以解释。但难以解释的是大气中为什么含有那么多的乙烯,有人认为闪电可能是一种间歇的催化剂。德希和凯泽分析这种隐含的弱放电会不会是由于一些其他的未知过程引起的。

总之,关于土卫六,现在还有很多未知的东西。宇航局和欧洲空间局将派遣一只称为“惠更斯”的探测器进入土卫六大气,探测土卫六的闪电现象。

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