第4章 土星篇
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土星的起源
土星的形成是一个复杂而漫长的过程，科学家们通过观测和研究得出了一些结论。以下是关于土星起源的详细信息：
形成过程
1.物质聚集：大约45亿年前，太阳系中的物质开始聚集成千万个小行星和碎片。这些小行星和碎片不断碰撞和合并，最终形成了土星和其他行星的前身。
2.核心形成：在这个过程中，土星的核心开始形成。核心是由气体和岩石混合物组成的球体，由于自身引力的作用，逐渐增加了大量的气体和灰尘。土星的大气层由氢、氦、甲烷等气体组成，这些气体随着时间的推移不断被引力吸引到核心。
3.环的形成：当土星的核心积累到一定的质量时，它的引力开始引起周围物质的塌缩，形成了土星的环。这些环由成分不同的物质组成，包括冰块、小岩石和微小的粉尘。
科学研究
1.观测历史：早在十七世纪，人类就开启了探索土星的历程。1610年，伽利略·伽利莱通过望远镜首次观测到土星和它的卫星。1655年，荷兰天文学家克里斯蒂亚安·惠更斯发现了“泰坦”，首次描述了土星的“环”。1675年，让·多米尼克·卡西尼发现土星光环中间有条暗缝，这就是后来以他名字命名的着名的卡西尼环缝。两个多世纪后的分光观测证实了他的猜测。1857年英国物理学家麦克斯韦通过稳定性分析证明土星环不是一个刚体结构，而是非常多的小颗粒组成。1885年，James E. keelert通过光谱观测首次证实了土星环不是刚体的论断。
2.现代研究：通过现代的空间探测器，如卡西尼-惠更斯任务，科学家们获得了大量关于土星的宝贵数据。这些数据不仅揭示了土星的环境、卫星和大气层的详细信息，还帮助科学家们更好地理解了土星的形成和演化过程。
3.未解之谜：尽管科学家们已经取得了很多关于土星起源的研究成果，但仍有许多未解之谜。例如，土星环的具体形成机制、土星内部核心的详细结构等问题仍需进一步研究。
综上所述，土星的起源可以追溯到太阳系形成初期的物质聚集和演化过程。通过不断的观测和研究，科学家们正在逐步揭开土星形成的奥秘，这对于我们理解太阳系的形成和演化具有重要意义。
土星的光环是由无数的冰块和砂砾组成的，这些直径从几厘米到几米的固体，几乎都在同一个平面上，沿自己的轨道像走马灯似地围绕着土星转圈圈。关于土星光环的形成，科学家们提出了几种可能的理论：
1. 卫星或彗星的解体
有些天文学家认为，土星有很多卫星，很久以前，一个或多个卫星被土星的引力撕裂了，剩下的碎片可能就是形成土星环的原因。也有天文学家认为，由于太空中有些飞过的彗星和小行星离土星太近，被土星强大的引力拖到了自己身边，这些小行星和彗星被撞碎，碎片变成了光环。
2. 与卫星的相互作用
土星光环的形成与土星的卫星有关。土星拥有众多的卫星，其中最大的土卫六（titan）对光环的形成起到了重要作用。土卫六的大气层中含有丰富的氮和甲烷，当这些物质进入土星的磁场区域时，与太阳风相互作用产生了电离现象，从而形成了电离层。这个电离层与土卫六的大气层之间存在电荷交换，导致土卫六大气层中的物质被引力吸引到土星的轨道上，并最终形成了光环。
3. 前卫星的残骸
据信，大约1亿年以前，当恐龙还在地球上漫游时，一颗名为“真理”的卫星曾经环绕土星运行，它主要由冰组成，直径约500公里。由于其运行的轨道极不稳定，故此出现缓慢地螺旋下降到土星的趋势，当这颗卫星与土星表面的距离达到罗氏极限（罗氏极限是指潮汐力撕裂卫星的轨道距离）时，这颗靠近土星这样大质量行星运行的卫星便在重力的挤压和牵引作用下解体了，随后卫星冰冷的残骸被抛向太空，随着时间的推移，冰碎片在土星轨道上逐渐展开，从而形成了如今那道美丽的光环。
以上理论都有一定的支持证据，但目前土星光环的形成机制仍然是个未解之谜，科学家们需要进一步的研究来揭示其确切的形成过程。
土星对地球的帮助主要体现在以下几个方面：
1. 保护地球免受小行星撞击
土星的巨大引力有助于稳定整个太阳系的运行，使得其他行星的轨道更加稳定，避免了太阳系内行星之间的碰撞和混乱。这种稳定性为地球提供了一个安全的环境，使得我们能够在这个宇宙中生存和繁衍。
2. 稳定地球的轨道
土星的引力对地球的轨道产生微小的扰动，这种变化虽然微小，但在长时间的作用下，会导致地球轨道的变化。这种稳定性对于地球的气候和生态系统的稳定至关重要。
3. 提供科学研究的对象
土星作为太阳系中的一个重要行星，对其进行研究可以帮助我们更好地理解太阳系的形成和演化，以及地球在其中的位置和作用。通过比较土星和地球的物理特征、大气层和天气现象，科学家们可以深入研究行星演化和地球的环境变化。
4. 精神层面的影响
在古代的文化中，土星常常被视为智慧、秩序和责任的象征。人们相信土星的力量可以带来清晰的思维、稳定的行动和坚定的意志，从而帮助我们克服困难和挑战。
土星对地球的帮助不仅体现在物理层面的保护和稳定，还体现在对人类科学研究和精神层面的影响。
土星的运行轨迹可以从以下几个方面来描述：
公转
土星和太阳的平均距离超过了14.37亿千米（9.58天文单位），轨道上运行的平均速度是9.69千米\/秒。因此，土星上的一年（即土星绕太阳公转一周）相当于个地球日（或是29.457地球年）。土星的椭圆轨道相对于地球轨道平面的倾角为2.48°，因为离心率为0.056，因此土星与太阳在近日点和远日点（行星在轨道路径上与太阳最近和最远的两个点）之间的距离变化大约为1.62亿千米。
自转
土星可见的特征（如六边形风暴）的自转速率根据所在纬度的不同而有所不同。各个区域的自转周期如下：
1.“系统I”的周期是10小时14分00秒，包含的是赤道区域，从南赤道带的北缘延伸至北赤道带的南缘。
2.其他的纬度都属于周期为10小时39分24秒的“系统II”。
3.基于旅行者号飞越土星时发现的无线电波，“系统III”的周期为10小时39分22.4秒；因为与系统II非常接近，它可以很大程度上替代系统II。
然而，精确的内部周期仍然未能确定。卡西尼号在2004年接近土星时，发现无线电的周期又有可察觉的增加，达到10小时45分45秒（±36秒）。造成变化的原因仍不清楚，但这种变化被认为是由于无线电的来源在土星内部不同的纬度上运动而改变了自转周期，而不是出自土星本身自转周期上的变化。而后，在2007年，无线电发射被发现没有跟随着行星一起旋转，而可能是由等离子体圆盘的对流造成的，它也与除了行星的自转之外的其他因素有关。有报道指出，这种测量到的自转周期的变化也许是由土星卫星土卫二上的喷泉活动造成的。由这种活动而散布进入土星轨道的水蒸气被电离，从而影响了土星的磁场，使得磁场的旋转速度相对于土星的自转被稍稍降低。还没有方法可以直接测定土星核心的自转速率。在2007年9月的报告中，根据各种测量结果（包括卡西尼号、旅行者1号、旅行者2号和先驱者11号的报告）综合而得的对土星自转的最后估计值是10小时32分35秒。根据卡西尼号探测器收集的数据，2019年估计10小时33分38秒。
轨道倾斜和轴向倾斜
土星的轴线偏离黄道平面，其轨道相对于地球的轨道平面倾斜2.48°。它的轴线也相对于太阳的黄道倾斜26.73°，这与地球的23.5°倾斜相似。其结果就是土星和地球一样在回轨道周期内经历季节变化。
季节变化
在土星的一半轨道上，其北半球比南半球受到更多的太阳辐射。在另一半的轨道上，情况相反，南半球比北半球受到更多的阳光。这造就了一个依赖于土星所处轨道部分的风暴系统。对于土星来说，高层大气中的风速可以达到赤道地区每秒500米（每秒1600英尺）的速度。有时会出现大型土星风暴，类似于木星上常见的风暴。类似木星拥有的大红斑，土星会周期性地出现所谓的大白斑。这个独特而短命的现象在北半球夏至时期的每一个土星年发生一次。这些地方可能有数千公里宽，过去曾多次出现过，分别是1876年、1903年、1933年、1960年和1990年。自2010年以来，观测到一大群被称为北极静电扰动的白云，卡西尼太空探测器发现了这个白云。考虑到这些风暴的周期性，预计在2020年发生另一次，恰好与土星在北半球的下一个夏季相吻合。同样，季节变化也会影响到土星北部和南部极地地区存在的大型天气系统。在北极，土星呈六角形波浪，直径约3万公里，六面各约13,800公里（8,600公里）。持续的风暴可以达到每小时约322公里（200英里）的速度。根据卡西尼探测器在2012年至2016年期间拍摄的图像，风暴似乎经历了与夏至的趋势相一致的颜色变化（从蓝灰色到金棕色）。这源于日照增加，大气中光化学雾度的增加。同样的，在南半球，哈勃太空望远镜拍摄的图像也表明存在大量急流。这场风暴与轨道上的飓风相似，有明确的眼墙，可以达到550公里\/小时（342英里\/小时）的速度。就像六角形的北方风暴一样，南部的风暴也随阳光照射而增加的变化。
土星的起源
土星的形成是一个复杂而漫长的过程，科学家们通过观测和研究得出了一些结论。以下是关于土星起源的详细信息：
形成过程
1.物质聚集：大约45亿年前，太阳系中的物质开始聚集成千万个小行星和碎片。这些小行星和碎片不断碰撞和合并，最终形成了土星和其他行星的前身。
2.核心形成：在这个过程中，土星的核心开始形成。核心是由气体和岩石混合物组成的球体，由于自身引力的作用，逐渐增加了大量的气体和灰尘。土星的大气层由氢、氦、甲烷等气体组成，这些气体随着时间的推移不断被引力吸引到核心。
3.环的形成：当土星的核心积累到一定的质量时，它的引力开始引起周围物质的塌缩，形成了土星的环。这些环由成分不同的物质组成，包括冰块、小岩石和微小的粉尘。
科学研究
1.观测历史：早在十七世纪，人类就开启了探索土星的历程。1610年，伽利略·伽利莱通过望远镜首次观测到土星和它的卫星。1655年，荷兰天文学家克里斯蒂亚安·惠更斯发现了“泰坦”，首次描述了土星的“环”。1675年，让·多米尼克·卡西尼发现土星光环中间有条暗缝，这就是后来以他名字命名的着名的卡西尼环缝。两个多世纪后的分光观测证实了他的猜测。1857年英国物理学家麦克斯韦通过稳定性分析证明土星环不是一个刚体结构，而是非常多的小颗粒组成。1885年，James E. keelert通过光谱观测首次证实了土星环不是刚体的论断。
2.现代研究：通过现代的空间探测器，如卡西尼-惠更斯任务，科学家们获得了大量关于土星的宝贵数据。这些数据不仅揭示了土星的环境、卫星和大气层的详细信息，还帮助科学家们更好地理解了土星的形成和演化过程。
3.未解之谜：尽管科学家们已经取得了很多关于土星起源的研究成果，但仍有许多未解之谜。例如，土星环的具体形成机制、土星内部核心的详细结构等问题仍需进一步研究。
综上所述，土星的起源可以追溯到太阳系形成初期的物质聚集和演化过程。通过不断的观测和研究，科学家们正在逐步揭开土星形成的奥秘，这对于我们理解太阳系的形成和演化具有重要意义。
土星的光环是由无数的冰块和砂砾组成的，这些直径从几厘米到几米的固体，几乎都在同一个平面上，沿自己的轨道像走马灯似地围绕着土星转圈圈。关于土星光环的形成，科学家们提出了几种可能的理论：
1. 卫星或彗星的解体
有些天文学家认为，土星有很多卫星，很久以前，一个或多个卫星被土星的引力撕裂了，剩下的碎片可能就是形成土星环的原因。也有天文学家认为，由于太空中有些飞过的彗星和小行星离土星太近，被土星强大的引力拖到了自己身边，这些小行星和彗星被撞碎，碎片变成了光环。
2. 与卫星的相互作用
土星光环的形成与土星的卫星有关。土星拥有众多的卫星，其中最大的土卫六（titan）对光环的形成起到了重要作用。土卫六的大气层中含有丰富的氮和甲烷，当这些物质进入土星的磁场区域时，与太阳风相互作用产生了电离现象，从而形成了电离层。这个电离层与土卫六的大气层之间存在电荷交换，导致土卫六大气层中的物质被引力吸引到土星的轨道上，并最终形成了光环。
3. 前卫星的残骸
据信，大约1亿年以前，当恐龙还在地球上漫游时，一颗名为“真理”的卫星曾经环绕土星运行，它主要由冰组成，直径约500公里。由于其运行的轨道极不稳定，故此出现缓慢地螺旋下降到土星的趋势，当这颗卫星与土星表面的距离达到罗氏极限（罗氏极限是指潮汐力撕裂卫星的轨道距离）时，这颗靠近土星这样大质量行星运行的卫星便在重力的挤压和牵引作用下解体了，随后卫星冰冷的残骸被抛向太空，随着时间的推移，冰碎片在土星轨道上逐渐展开，从而形成了如今那道美丽的光环。
以上理论都有一定的支持证据，但目前土星光环的形成机制仍然是个未解之谜，科学家们需要进一步的研究来揭示其确切的形成过程。
土星对地球的帮助主要体现在以下几个方面：
1. 保护地球免受小行星撞击
土星的巨大引力有助于稳定整个太阳系的运行，使得其他行星的轨道更加稳定，避免了太阳系内行星之间的碰撞和混乱。这种稳定性为地球提供了一个安全的环境，使得我们能够在这个宇宙中生存和繁衍。
2. 稳定地球的轨道
土星的引力对地球的轨道产生微小的扰动，这种变化虽然微小，但在长时间的作用下，会导致地球轨道的变化。这种稳定性对于地球的气候和生态系统的稳定至关重要。
3. 提供科学研究的对象
土星作为太阳系中的一个重要行星，对其进行研究可以帮助我们更好地理解太阳系的形成和演化，以及地球在其中的位置和作用。通过比较土星和地球的物理特征、大气层和天气现象，科学家们可以深入研究行星演化和地球的环境变化。
4. 精神层面的影响
在古代的文化中，土星常常被视为智慧、秩序和责任的象征。人们相信土星的力量可以带来清晰的思维、稳定的行动和坚定的意志，从而帮助我们克服困难和挑战。
土星对地球的帮助不仅体现在物理层面的保护和稳定，还体现在对人类科学研究和精神层面的影响。
土星的运行轨迹可以从以下几个方面来描述：
公转
土星和太阳的平均距离超过了14.37亿千米（9.58天文单位），轨道上运行的平均速度是9.69千米\/秒。因此，土星上的一年（即土星绕太阳公转一周）相当于个地球日（或是29.457地球年）。土星的椭圆轨道相对于地球轨道平面的倾角为2.48°，因为离心率为0.056，因此土星与太阳在近日点和远日点（行星在轨道路径上与太阳最近和最远的两个点）之间的距离变化大约为1.62亿千米。
自转
土星可见的特征（如六边形风暴）的自转速率根据所在纬度的不同而有所不同。各个区域的自转周期如下：
1.“系统I”的周期是10小时14分00秒，包含的是赤道区域，从南赤道带的北缘延伸至北赤道带的南缘。
2.其他的纬度都属于周期为10小时39分24秒的“系统II”。
3.基于旅行者号飞越土星时发现的无线电波，“系统III”的周期为10小时39分22.4秒；因为与系统II非常接近，它可以很大程度上替代系统II。
然而，精确的内部周期仍然未能确定。卡西尼号在2004年接近土星时，发现无线电的周期又有可察觉的增加，达到10小时45分45秒（±36秒）。造成变化的原因仍不清楚，但这种变化被认为是由于无线电的来源在土星内部不同的纬度上运动而改变了自转周期，而不是出自土星本身自转周期上的变化。而后，在2007年，无线电发射被发现没有跟随着行星一起旋转，而可能是由等离子体圆盘的对流造成的，它也与除了行星的自转之外的其他因素有关。有报道指出，这种测量到的自转周期的变化也许是由土星卫星土卫二上的喷泉活动造成的。由这种活动而散布进入土星轨道的水蒸气被电离，从而影响了土星的磁场，使得磁场的旋转速度相对于土星的自转被稍稍降低。还没有方法可以直接测定土星核心的自转速率。在2007年9月的报告中，根据各种测量结果（包括卡西尼号、旅行者1号、旅行者2号和先驱者11号的报告）综合而得的对土星自转的最后估计值是10小时32分35秒。根据卡西尼号探测器收集的数据，2019年估计10小时33分38秒。
轨道倾斜和轴向倾斜
土星的轴线偏离黄道平面，其轨道相对于地球的轨道平面倾斜2.48°。它的轴线也相对于太阳的黄道倾斜26.73°，这与地球的23.5°倾斜相似。其结果就是土星和地球一样在回轨道周期内经历季节变化。
季节变化
在土星的一半轨道上，其北半球比南半球受到更多的太阳辐射。在另一半的轨道上，情况相反，南半球比北半球受到更多的阳光。这造就了一个依赖于土星所处轨道部分的风暴系统。对于土星来说，高层大气中的风速可以达到赤道地区每秒500米（每秒1600英尺）的速度。有时会出现大型土星风暴，类似于木星上常见的风暴。类似木星拥有的大红斑，土星会周期性地出现所谓的大白斑。这个独特而短命的现象在北半球夏至时期的每一个土星年发生一次。这些地方可能有数千公里宽，过去曾多次出现过，分别是1876年、1903年、1933年、1960年和1990年。自2010年以来，观测到一大群被称为北极静电扰动的白云，卡西尼太空探测器发现了这个白云。考虑到这些风暴的周期性，预计在2020年发生另一次，恰好与土星在北半球的下一个夏季相吻合。同样，季节变化也会影响到土星北部和南部极地地区存在的大型天气系统。在北极，土星呈六角形波浪，直径约3万公里，六面各约13,800公里（8,600公里）。持续的风暴可以达到每小时约322公里（200英里）的速度。根据卡西尼探测器在2012年至2016年期间拍摄的图像，风暴似乎经历了与夏至的趋势相一致的颜色变化（从蓝灰色到金棕色）。这源于日照增加，大气中光化学雾度的增加。同样的，在南半球，哈勃太空望远镜拍摄的图像也表明存在大量急流。这场风暴与轨道上的飓风相似，有明确的眼墙，可以达到550公里\/小时（342英里\/小时）的速度。就像六角形的北方风暴一样，南部的风暴也随阳光照射而增加的变化。