再見，下雨的土星環

張軼

大約400年前，伽利略通過望遠鏡觀測到了土星精致而絢麗的土星環，它就像一枚巨大而華麗的“指環”，包圍著土星，但這枚“指環”現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形成秘密的時候，就要和它說再見了。

來歷不明

土星是太陽系中一個非常獨特的行星。雖然木星、天王星和海王星這樣的氣態巨行星也有行星環，但沒有一顆行星的環像土星環這般雄偉和壯麗，它的寬度甚至達到了幾十萬千米！這樣一個獨特的行星環引起了科學家們的強烈關注：它究竟是如何形成的？

土星環是太陽系中最引人注目的行星環，環中有許多大小不一的顆粒，計量單位從微米到米不等。環中的主要成分是冰粒（大約95%）以及少量的巖石殘骸、塵土和其他的化學物質，環的形狀像是一個繞著土星旋轉的、有環縫的圓盤。這個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，計算一下，這個圓盤竟可并排放上十幾個地球呢！可想而知土星環該是如何地巨大。

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

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，那么冰粒已經被“染”了40億年，現在的土星環即便不是黑色，也應該是暗色的才對，但卡西尼號拍攝到的土星環整體卻呈白色，這證實冰粒還是純凈的。

正因如此，大部分人更傾向于相信土星環剛誕生不久，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2億年的土星環著實像一個剛出生的、純凈無暇的嬰兒。與此同時，人們對土星環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星被路過的行星或彗星的引力擾動，原本在不同軌道“相安無事”運行著的衛星，運行軌道突然發生了變化。在某個時刻，軌道發生變化的衛星“撞車”了，“撞車”導致衛星冰殼發生分裂剝落，最終形成了土星環。

但這一假說同樣存在缺陷。試想一下，兩個高速運轉的物體發生碰撞，必定會產生無數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中心點旋轉呢？可能土星的引力都不一定能做到。

所以到現在為止，土星環的形成機制依然是迷霧重重。而科學家們發現，在還沒來得及解釋土星環形成機制的時候，它卻已經“收拾行囊”，準備消失在我們的視線中了。

“雨后即逝”

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

前文提到，土星環主要由冰粒組成，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。這些冰粒在土星環內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。

當受到太陽的紫外線或是隕石撞擊產生的等離子體等物質的作用時，冰粒會帶電，帶電的冰粒可以感受到向內的土星磁場的拉力，冰粒上的平衡被打破，土星引力會帶領這些冰粒沿著磁場方向進入土星，并在引力作用下發生墜落。

當進入到土星大氣層時，帶電冰粒產生的水會和土星高層大氣的電離層發生化學反應，形成大量降雨的同時，還會產生可以發出紅外光的H3+離子。夏威夷的凱克望遠鏡觀察到，H3+發出的紅外光的強弱和降雨量有著密切聯系：當降雨量很小時，H3+離子的紅外光很強烈;當降雨量很大時，H3+離子發出的紅外光反而很微弱。

科學家們分析了這些紅外光，并結合旅行者1號和旅行者2號（均是太空探測器）的觀測結果發現：土星環向土星傾注了太多的水，甚至達到每秒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每秒9900千克！它會加速土星環的消亡，以至于在3億年甚至1億年內，土星環可能就會消亡。也就是說，土星環的壽命可能只有2億年到5億年。

想象一下，沒有環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，現在我們應該盡可能地去探索這個神秘的“指環”，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。”

7個關于土星的有趣事實

1.土星是太陽系所有行星中，唯一一個密度比水小的行星，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多個地球。

3.土星不像可以“腳踏實地”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成。

4.土星上的風很大，赤道附近的風速甚至達到每小時1800千米。在地球上，最快的風可能只有每小時400千米。

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

6.由于繞軸旋轉得太快，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，會產生紅外輻射。在傳輸過程中，紅外輻射會被傳輸介質顆粒吸收和散射，因此輻射能會在傳輸過程中逐漸衰減。當雨下得越大時，雨水顆粒越多，紅外輻射被吸收和散射的現象越嚴重，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，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、氣的物質狀態。常見的等離子體是高溫電離氣體，如日光燈中的發光氣體。