1.15 第十四章太阳系的成员（9）

第十四章太阳系的成员（9）

九、土星

土星是仅次于木星的第二大行星。和木星一样，土星的大部分是由氢和氦组成的。这些物质在靠近土星中心的地方，被压缩成液态。然而事实上，土星的密度相当地小——只有水的密度的70%。土星和木星旋转得几乎一样快。而且由于它的密度较低，它的自转使它变得更加扁平了。土星两极间的直径，较其赤道上的直径足足要少十分之一。

土星有为数众多的卫星。精确的数量尚不能确定，所有在环上的大冰块理论上来说都是卫星，而且要区分出是环上的大颗粒还是小卫星是很困难的。到2009年，已经确认的卫星有62颗，其中52颗已经有了正式的名称；还有3颗可能是环上尘埃的聚集体而未能确认。许多卫星都非常的小：34颗的直径小于10公里，另外13颗的直径小于50 公里，只有7颗有足够的质量能够以自身的重力达到流体静力平衡。

其中土卫六的特殊之处在于，它是太阳系中两个最大的卫星之一(另一个是木卫三)。土卫六和木卫三的体积都是月球体积的1．5倍。但土卫六的密度相当低。它可能大部分是由冰一类的物质组成。土卫六可能也是太阳系中唯一的一个具有大气层的卫星(如果我们把木卫一的神秘的氢云除外)。借助光谱分析，已经检验出土星大气中有甲烷和氢气；而且有些观察者已经推测，那里可能也存在着有机化合物。那里的气体密度相当大，而且大气的压力可以达到地球表面的大气压。

1.美丽的外貌

土星是太阳系中一颗美丽的行星，淡黄的球体，浅蓝的极区，腰间缠绕一道美丽的光环，形状舒展，比例恰当，具有无比诱人的魅力。直到今天，它还是艺术家笔下的“常客”。

土星轨道在木星轨道外面，所以它到太阳的距离比木星远。18世纪以前，人们一直以为它是太阳系的边界，直到1781年英国业余天文学家威廉·赫歇耳用望远镜发现了天王星，才改变了这种看法。

用望远镜看土星，它周围有一圈明亮的光环，像是戴了一顶漂亮的草帽，所以有人送它一个雅号：戴草帽的星。在西方，用罗马神话中农神萨图恩的名字来称呼它，中国古代叫它填星或镇星。

土星和木星一样，有巨大的身躯和巨大的质量。它们像是一对孪生兄弟，都属于巨行星。在八大行星中，它的大小和质量都名列第二，仅次于木星。土星体积是地球的745倍，质量是地球的95倍。

2.土星概况

土星沿着椭圆形轨道绕太阳公转，因此它到太阳的距离时远时近，最近和最远时距离相差1．5亿公里，正好等于地球到太阳的平均距离。土星到太阳的平均距离大约14亿公里，是地球轨道平均半径的9.5倍。土星公转的平均速度约为每秒9.64公里，29.5年绕太阳公转一圈。

土星也是快速自转的，但比木星稍微慢一点。土星的自转速度各地不相等，赤道上自转一周10小时14分钟。纬度越高，自转越慢，到纬度为60度的地方，自转一周需要10小时40分钟了。快速自转使土星变成一个扁球。

土星的轨道面与赤道面的交角是26度44分，比地球的黄赤交角大。因此，土星上也有昼夜交替和四季变化。土星的昼夜很短，而四季却很长，一个土星春秋竟有2万多个土星昼夜！

土星也是天空中的亮星，最亮时是负O．4等星，比天狼星还亮，一般情况下，它的亮度可与天空中最亮的恒星相比。

用望远镜看土星，漂亮的光环和众多的卫星立刻映入我们的眼帘，此外，还可看到它上空缭绕着色彩斑斓的云带。土星的云带像木星那样，排成彩色的亮带和暗纹，所不同的是，土星云带比木星规则，色彩不如木星鲜艳。土星云带以金黄色为主，兼有淡黄和橘黄等色，极区呈浅蓝色。

土星没有大红斑，但有时会出现白斑，最著名的白斑是英国喜剧演员海在1933年8月发现的。这个白斑出现在土星赤道区，呈花生果形，长度为土星直径的五分之一。以后不断扩大，几乎蔓延到整个土星赤道带。

土星周围也有一层大气。土星的大气以氢、氮为主体，并含有甲烷和其他气体。土星大气中飘浮着稠密的氨晶体组成的云。根据红外观测，云顶的温度为零下155摄氏度，比木星上空温度低。由于温度低以及只有具有每秒35，6公里速度的物质才能逃离土星，所以土星形成时所拥有的全部氢和氦现在都保留着。

土星大气似乎也有强烈的对流，因此，也刮着每小时数百公里的大风，表面上那些带状斑纹，看来正是这个原因造成的。此外，它的两极都“戴”着一顶淡蓝色的“帽子”——极冠，这是木星所没有的特点。

由于土星距太阳如此遥远，从太阳得到的很少的热量，使土星成为一颗温度很低的星球。红外线测量发现，云层上端的温度约为-150℃左右．至于云层下部的情况如何?目前还不知道。

1937年维尔特提出关于土星内部结构的模型。根据这个模型，土星有一个直径为20000公里的岩石核心，外面是5000公里厚的冰壳，再外面是8000公里厚的金属氢层，最外面是广延的分子氢大气。

3.土星光环

在望远镜里看星星，除了月亮以外，最好看的莫过于土星了。土星美，美在光环，美丽的土星光环早已名扬四海。近年来，空间探测又使它再展新姿。

土星环是伽利略在1610年首先看到的。当时，他用自制的望远镜观察土星时，发现土星球体旁边有2个小星似的东西在不断地变小，2年后竟然不见了。到1616年，这2个“小东西”又出现了。可是直到伽利略告别人间时，他也没弄清这2颗“小星”是什么。他万万没想到这是他的一大发现！

40年过去了，1656年，荷兰科学家惠更斯用更大更好的望远镜揭开了这个谜。原来这是一个光环。惠更斯认为，土星被一个薄的环包围着，这个环并不和土星接触。当时，人们认为光环是整体一块，是一个固体环。1675年，意大利天文学家卡西尼在土星光环中发现一圈空隙，这就是著名的卡西尼隙缝。

1856年，英国物理学家麦克斯韦证明，固体光环是不稳定的，要碎裂和瓦解。从此人们才清楚，光环是由无数个小碎块组成的。它们是一个个微小的卫星，沿着自己的轨道绕土星公转。千万颗碎块散布在轨道各处，浩浩荡荡，并排向前走，从远处望去才构成一个美丽的光环。美国科学家基勒用观测证明了麦克斯韦的理论。

土星光环位于土星赤道面上，由3个主环和3个暗环组成。3个主环是A环、B环和C环，A环在外，C环在里，B环居于中间。主环的内边缘离土星中心75000公里，外边缘离中心137000公里，宽约60000公里，可以容纳5个地球在上面赛跑。

B环既宽又亮，内半径为90000多公里，外半径为110000多公里，宽25000公里。B环和A环中间有宽约5000公里的隙缝，这就是卡西尼隙缝。A环宽约15000公里，比B环暗。C环又称纱环，宽约20000公里，很暗。1969年，在C环内发现更暗的D环，它几乎触及土星表面。后来，又在A环外面发现了非常稀薄的E环，它一直延伸到土卫四。1979年，“先驱者11号”宇宙飞船又在土卫五和土卫六之间发现了第六个光环，这就是F环。它有时呈辫状结构，好像几个环扭结而成的。

“旅行者”宇宙飞船飞过土星时，发现土星光环是由成千上万条细而窄的环构成的。土星环好像一张大唱片，唱片上密密麻麻的细纹就像土星的细环，即使在公认为没有物质的环缝中，也能找到几条细环。是什么机制维持住这样的细而窄的环呢?是密度波，还是游荡的“牧羊卫星”?至今还没有定论。

4.土星的磁层

说过了土星家族，谈过了美丽的光环，不能不介绍一下包围在土星外围的看不见结构——土星磁层。

长期以来，土星磁层一直不为世人所知，直到宇宙飞船飞到土星上空，才发现。

土星磁层是一个复杂的结构，其大小大约相当于三分之一个木星磁层。向阳面磁顶到土星的距离约为160万公里。

土星磁层是一个由磁场、带电粒子和无线电讯号等一起组成的特殊区域，它对可见光是透明的。至于它里面的复杂过程，在一般的天文照片上是看不出来的。因此，很长时间以来，人们不知道宇宙中还有这么一个有趣的结构存在。

第一次看见土星磁层的是美国发射的“先驱者—11号”，但它只看到土星有磁场存在，对磁层的详细情况还一无所知。它只指出，土星磁场是偶极场，偶极轴相对于行星中心有不大的位移，偶极轴与行星自转轴几乎平行。

后来，“旅行者1号”不仅证实了“先驱者11号”的全部发现，还获得许多新成果。它发现，在距离土星小于10个土星半径的地方，土星磁场小于偶极场；在距离土星大于10个土星半径的地方，土星磁场大于偶极场。这表明在土星周围有较强的运动电荷存在。

人们曾经预料，太阳风同行星磁层的作用使磁层形状发生变化：在向阳面上受到压缩，在背阳面上被拉长成开放式的磁尾。“旅行者一1号”接近土星时所观测到的磁层形状正是这样的。不过由于土星离太阳较远，在土星附近太阳风速度较小，磁尾被拉长得不是太厉害。测量还表明，土星磁尾中磁场的大小和方向都有不大的变化，变化周期都比较长。

在地球的极区，天空经常能看到五彩缤纷的极光，它们是地球磁层中带电粒子流注入极区电离层时同大气中粒子碰撞激发而成的。土星上也有大气，也有磁场，那里有没有极光呢?有。早在“先驱者11号”飞到土星附近时，就发现土星有极光现象了。不过土星极光与地球极光不同，地球极光在可见光波段能看到，而土星极光在紫外线波段才能看到。

磁层好比裹在行星身上的外衣。这层外衣是技术精湛的魔术衣，能做很多出色的表演。

物理学家和天体物理学家把这些表演叫做物理过程。天体物理学家们通过对这些物理过程的分析和探索，能了解行星上许多有关的知识。因此，他们对磁层的研究非常感兴趣。

土星是第六个被发现有磁层的行星。目前虽然有三艘宇宙飞船对它进行了直接探测，但对它的研究还是很不够的。

5.土星的62颗卫星

自从赫歇耳在1789年发现第一颗土星卫星以来，经过数百年的地面辛勤观测和3艘宇宙飞船的“采访”，截止2009年，已确定土星有62颗卫星，成为太阳系中卫星最多的一个行星。不仅如此，地面观测还发现有几颗可疑的土星卫星，虽然远没有确定，说不定其中几个也是土星家族的成员。

在这六十多个“土卫”中，已知土卫九(或许还有土卫八)是逆向运行。其他多数都是公转周期等于自转周期，因此，它们像月亮对地球那样，始终以同一面对着土星。除了土卫八和土卫九以外，都是规则卫星，它们以近圆形轨道在土星赤道面上顺向绕土星运行。

按照到土星距离由近到远排列，1981年以前发现的17颗“土卫”是：土卫十七、土卫十六、土卫十五、土卫十一、土卫十、土卫一、土卫二、土卫三、土卫十三、土卫十四、土卫四、土卫十二、土卫五、土卫六、土卫七、土卫八和土卫九。

土卫六又名提坦，它是1655年被惠更斯发现的，其半径2575公里，过去一直认为它是太阳系中最大的卫星。由于“旅行者一1号”的精确测定，才把它从冠军的地位上拉了下来，降到了亚军的位置。它在距离土星平均约122.1万公里的轨道上绕土星旋转。最近，在这颗大卫星上，发现有一层主要是甲烷组成的大气包裹着它。

土卫八半边亮半边暗，亮的半边如同白雪，暗的半边好像沥青，两者亮度相差5～6倍。这是一颗不规则卫星。它的轨道平面与土星赤道面的夹角是14.7度，与土星轨道平面的夹角是16.3度。

土卫九是1898年发现的，是目前已知的最小的土星卫星，直径只有300公里，在一个偏心率为0．1633的椭圆形轨道上绕土星公转，其轨道面与土星赤道面的交角约为150度，是一个运动方向与其他“土卫”相反的卫星，而且绕土星转一圈要花地球上一年半那么长的时间。

土卫十一至土卫十七都是些“小个子”。它们的半径都只有几十公里。最小的土卫十七，半径只有十几公里。

知识点：氢

氢是一种最原始的化学元素，化学符号为H，原子序数是1，在元素周期表中位于第一位。它的原子是所有原子中相对原子质量最小的。氢[1]通常的单质形态是气体。它是无色无味无臭，极易燃烧的由双原子分子组成的气体，氢气是已知最轻的气体。它是已知宇宙中含量最高的物质。氢原子存在于水及所有有机化合物和活生物中。导热能力特别强，跟氧化合成水。在0℃和一个大气压下，每升氢气只有0.09克——仅相当于同体积空气质量的14.5分之一。（实际比空气轻14.38倍）

在常温下，氢气比较不活泼，但可用催化剂活化。单个存在的氢原子则有极强的还原性。在高温下氢非常活泼。除稀有气体元素外，几乎所有的元素都能与氢生成化合物。

在地球上和地球大气中只存在极稀少的游离状态氢。在地壳里，如果按重量计算，氢只占总重量的1%，而如果按原子百分数计算，则占17%。氢在自然界中分布很广，水便是氢的“仓库”——水中含11%的氢；泥土中约有1.5%的氢；石油、天然气、动植物体也含氢。在空气中，氢气倒不多，约占总体积的一千万分之五。在整个宇宙中，按原子百分数来说，氢却是最多的元素。据研究，在太阳的大气中，按原子百分数计算，氢占81.75%。在宇宙空间中，氢原子的数目比其他所有元素原子的总和约大100倍。

早在十六世纪，瑞士的一名医生就发现了氢气。他说：“把铁屑投到硫酸里，就会产生气泡，像旋风一样腾空而起。”他还发现这种气体可以燃烧。然而他是一位著名的医生，病人很多，没有时间去做进一步的研究。

十七世纪时又有一位医生发现了氢气。那时人们的智慧被一种虚假的理论所蒙弊，认为不管什么气体都不能单独存在，既不能收集，也不能进行测量。这位医生认为氢气与空气没有什么不同，很快就放弃了研究。

最先把氢气收集起来并进行认真研究的是英国的一位化学家卡文迪什。

他测出了这种气体的比重，接着又发现这种气体燃烧后的产物是水，无疑这种气体就是氢气了。卡文迪什的研究已经比较细致，他只需对外界宣布他发现了一种氢元素并给它起一个名称就行了，真理的大门就要向他敞开了，幸运之神就要向他微笑了。

但卡文迪什受了虚假的“燃素说”的欺骗，坚持认为水是一种元素，不承认自己无意中发现了一种新元素，真是非常可惜。

后来拉瓦锡听到了这件事，他重复了卡文迪什的实验，认为水不是一种元素而是氢和氧的化合物。在1787年，他正式提出“氢”是一种元素，因为氢燃烧后的产物是水，便用拉丁文把它命名为“水的生成者”。

第十四章 太阳系的成员（9）

第十四章太阳系的成员（9）