土星（太阳系八大行星之一）

▌简介

土星是太阳系八大行星之一，至太阳距离(由近到远)位于第六，体积仅次于木星，并与木星、天王星及海王星同属气态巨行星。古代中国土星是中国古代人根据五行学说结合肉眼观测到的土星的颜色来命名的，亦称之为镇星。

土星主要由氢组成，还有少量的氦与微量元素，内部的核心包括岩石和冰，外围由数层金属氢和气体包裹着。土星的风速高达1800公里/时，行星磁场强度介于地球和更强的木星之间。已经确认的土星的卫星总共有82颗，其中土卫六是土星系统中最大和太阳系中第二大的卫星。土星自转一周等于10小时33分38秒，大约是地球的半天时长。

▌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，所以土星上的一年（即土星绕太阳公转一周）相当于10759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（如六边型风暴）的自转速率根据所在纬度的不同而有所不同，各个的区域的自转周期如下：“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；其他的纬度都属于周期为10小时39分24秒的“系统II”；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。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。

▌内部结构

土星被称为气态行星，但它并不完全是气态的。这颗行星主要包括氢气，在密度为0.01 g/cm3以上时氢气变成了非理想液体。此密度被达到在包含99.9％土星质量的半径。从行星内部直到的核心的温度，压力和密度全都是稳步上升，使在行星的更深层导致氢气转变成金属。

虽然只有少量的直接资料，但标准的行星模型表明，土星的内部结构仍被认为与木星相似，即有一个被氢和氦包围着的较小核心。岩石核心的构成与地球相似但密度更高，估计核心的质量大约是地球质量的9–22倍。在核心之外，有更厚的液态金属氢层，然后是数层的液态氢和氦层，在最外层是厚达1000 千米的大气层，也存在着各种型态冰的踪迹。

土星有非常热的内部，核心的温度高达11700 °C，并且辐射至太空中的能量是它接受来自太阳的能量的2.5倍。大部分能量是由缓慢的重力压缩（克赫历程）产生，但这还不能充分解释土星的热能制造过程。额外的热能可能由另一种机制产生：在土星内部深处，液态氦的液滴如雨般穿过较轻的氢，在此过程中不断地通过摩擦而产生热。

▌大气组成

土星外围的大气层包括96.3%的氢和3.25%的氦，可以侦测到的气体还有氨、乙炔、乙烷、磷化氢和甲烷。上层的云由氨的冰晶组成，较低层的云则由硫化氢铵（NH₄HS）或水组成。相对于太阳所含有的丰富的氦，土星大气层中氦的丰盈度明显高很多。对于比氦重的元素的含量，如今所知不甚精确；但如果假设与太阳系形成时的原始丰盈度是相当的，则可估算出这些元素的总质量是地球质量的19-31倍，而且大部分都存在于土星的核心区域。

▌云层

土星的上层大气与木星相似（在相同定义的前提下），同样都有着显而易见的条纹；但土星的条纹比较幽暗，并且赤道附近的条纹也比较“幽色”。从底部延展至大约10千米高处，是由水冰构成的层次，温度大约是-23℃。在这之后是硫化氢氨冰的层次，延伸出另外的50千米，温度大约在-93℃，在这之上是80千米的氨冰云，温度大约是-153℃。接近顶部，在云层之上200～270千米是可以看见的云层顶端，由数层氢和氦构成的大气层。土星的风速是太阳系中最高的，旅行者号的数据显示土星的东风最高可达500m/s（1800千米/时）。直到旅行者探测器飞越土星，比较纤细的条纹才被观测到。然而从那之后，地基望远镜也被改善到在通常情况下都能够观察到土星的这些细纹。

土星的大气层通常都很平静，偶尔会出现一些持续较长时间的长圆形特征，以及其他在木星上常常出现的特征。1990年，哈勃太空望远镜在土星的赤道附近观察到一朵极大的白云，是在旅行者号探测器与土星遭遇时未曾看见的，在1994年又观察到另一朵较小的白云风暴。1990年的白云是大白斑的一个例子，这是在每一个土星年（大约30个地球年），当土星北半球夏至的时候所发生的独特但短期的现象。之前的大白斑分别出现于1876、1903、1933和1960年，并且以1933年的最为著名。如果这个周期能够持续，下一场大风暴将在大约2020年发生。来自卡西尼号探测器的最新图像显示，土星的北半球呈现与天王星相似的明亮蓝色。这种蓝色非常可能是由瑞利散射造成的，但因为当时土星环遮蔽住了北半球，因此从地球上无法看见这种蓝色。天文学家通过分析红外线影像发现土星有一个“温暖”的极地漩涡，这种特征在太阳系内是仅有的。天文学家认为这个点是土星上温度最高的点，土星上其他各处的温度是-185 °C，而该漩涡处的温度则高达-122 °C。

▌极地风暴

旅行者1号的影像中最先被注意到的是一个长期出现于北纬78°附近，围绕着北极的六边形漩涡。不同于北极，哈勃太空望远镜所拍摄到的南极区影像有明显的“喷射气流”，但没有强烈的极区漩涡，也没有“六边形的驻波”。但是，NASA报告卡西尼号在2006年11月观测到一个位于南极像飓风的风暴，有着清晰的眼壁。这是很值得注意的观测报告，因为在过去除了地球之外，没有在任何的行星上观测到眼壁云（包括伽利略号探测器在木星的大红斑上都未能发现眼壁云）。

在北极的六边形结构中每一边的直线长度大约是13800千米，整个结构每10小时39分24秒自转一周，与行星的无线电波辐射周期一样，这也被认为是土星内部的自转周期。这个六边形结构像大气层中可见的其他云彩一样，在经度上没有移动。这个现象的规律性的起源仍在猜测之中，多数的天文学家认为是在大气层中某种形式的驻波，但是六边形也许是一种新型态的极光。在实验室的流体转动桶内已经模拟出了多边型结构。

▌磁层

土星有一个简单的具有对称形状的内在磁场，一个磁偶极子。磁场在赤道的强度为0.2高斯（20µT），大约是木星磁场的20分之一，比地球的磁场微弱一点；由于强度远比木星磁场微弱，因此土星的磁层仅延伸至土卫六轨道之外。磁层产生的原因很有可能与木星相似——由金属氢层（被称为“金属氢发电机”）中的电流引起。与其他的行星一样，土星磁层会受到来自太阳的太阳风内的带电微粒影响而产生偏转。卫星土卫六的轨道位于土星磁层的外围，并且土卫六的大气层外层中的带电粒子提供了等离子体。

土星环绕太阳旋转一周接近30年，在公转一次中仅出现两次土星双极光现象。哈勃望远镜拍摄的这张图像显示土星每个极地同时出现闪亮的极光。这一现象是由于太阳风形成的。太阳风是太阳喷射的亚原子带电粒子流，与土星大气层的分子发生交互作用。在地球上，极光是带电粒子沿着地球磁场线进入大气层形成的奇特现象。天文学家发现该图像中土星北极和南极极光之间存在细微的差别，其中包含在北极光中的明亮椭圆形状区域比南极光区域略小，并且光线更强烈一些。这暗示着土星的磁场分布并不均匀，由于北极磁场更强一些，当太阳粒子穿过北极大气层时被加速形成能量较高的粒子流。

▌温度

土星云层的组成随深度和压力的增加而变化。云层上层由氨冰组成，温度在100-160K之间，压力在0.5-2巴之间。云层中层为水冰云，从压力约为2.5巴开始，向下延伸至9.5巴，温度在185至270K之间。在这一层中还包含着一条硫化氢铵冰带，位于压力范围3-6巴，温度为190-235K。云层下层压力为10至20巴，温度为270至330K，包含了一个氨水溶液液滴的区域。

▌土星环

1610年，意大利天文学家伽利略·伽利雷（Galileo di Vincenzo Bonaulti de Galilei）观测到在土星的球状本体旁有奇怪的附属物。1659年，荷兰学者克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）证实这是离开本体的光环。当时观测到土星环有5个（1979年先驱者11号又探测到两个新环）。1675年意大利天文学家乔凡尼·多美尼科·卡西尼（Giovanni Domenico Cassini），发现土星光环中间有一条暗缝（后称卡西尼缝），他还猜测光环是由无数小颗粒构成。两个多世纪后的分光观测证实了他的猜测，但在这二百年间，土星环通常被看作是一个或几个扁平的固体物质盘。直到1856年，英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）从理论上论证了土星环是无数个小卫星在土星赤道面上绕土星旋转的物质系统。

土星环位于土星的赤道面上。在空间探测前，从地面观测得知土星环有五个，其中包括三个主环（A环、B环、C环）和两个暗环（D环、E环）。B环宽又亮，它的内侧是C环，外侧是A环。A、B两环之间为宽约4800千米的卡西尼缝，是天文学家卡西尼在1675年发现的，产生环缝的原因是因为光环中有卫星运行，卫星的引力造成的。B环的内半径91500千米，外半径116500千米，宽度25000千米，可以并排安放两个地球。A环的内半径121500千米，外半径137000千米，宽度15500千米。C环很暗，它从B环的内边缘一直延伸到离土星表面只有12000千米处，宽度约19000千米。1969年在C环内侧发现了更暗的D环，它几乎触及土星表面。在A环外侧还有一个E环，由非常稀疏的物质碎片构成，延伸在五六个土星半径以外。1979年9月先驱者11号探测到两个新环——F环和G环。F环很窄，宽度不到800千米，离土星中心的距离为2.33个土星半径，正好在A环的外侧。G环离土星很远，展布在离土星中心大约10～15个土星半径间的广阔地带。先驱者11号还测定了A环、B环、C环和卡西尼缝的位置、宽度，其结果同地面观测相差不大。先驱者11号的紫外辉光观测发现，在土星的可见环周围有巨大的氢云，环本身是氢云的源。

除了A环、B环、C环以外的其他环都很暗弱。土星的赤道面与轨道面的倾角较大，从地球上看，土星呈现出南北方向的摆动，这就造成了土星环形状的周期变化。仔细观测发现，土星环内除卡西尼缝以外，还有若干条缝，它们是质点密度较小的区域，但大多不完整且具有暂时性。只有A环中的恩克缝为永久性，不过，环缝也不完整。科学家认为这些环缝都是土星卫星的引力共振造成的，犹如木星的巨大引力摄动造成小行星带中的柯克伍德缝一样。“先驱者”11号在A环与F环之间发现一个新的环缝，称为“先驱者缝”，还测得恩克缝宽度为392千米。由观测阐明土星环的本质要归功于美国天文学家基勒，他在1895年从土星环的反射光的多普勒频移发现土星环不是固体盘，而是以独立轨道绕土星旋转的大群质点。土星环掩星并没有把被掩的星光完全挡住，这也说明土星环是由分离质点构成的。1972年从土星环反射的雷达回波得知环的质点是直径介于4到30厘米之间的冰块。

探测器传回的土星照片让科学家非常吃惊，在近处所看到的土星环，竟然是一大片碎石块和冰块，使人眼花缭乱。它们的直径从几厘米到几十厘米不等，只有少量的超过1米或者更大，土星周围的环平面内有数百条到数千条大小不等，形状各异的环。大部分环是对称地绕土星转的，也有不对称的有完整的、比较完整的、残缺不全的。环的形状有锯齿形的，也有辐射状的。令科学家迷惑不解的是，有的环好像是由几股细绳松散的搓成的粗绳一样，或者说像姑娘们的发辫那样相互扭结在一起。辐射状的环更是令科学家大开了眼界而又伤透了脑筋，组成环的物质就像车轮那样，步调整齐地绕着土星转，要求那些离得越远的碎石块和冰块运动的速度越快。这显然违背了已经掌握的物质运动定律美国国家航空航天局（NASA）的科学家于2009年10月8日发现土星周围存在一个“隐形”的巨大光环，这个光环可以容纳10亿个地球。NASA喷气推进实验室称，该光环平面与土星主光环面成27度倾角，该光环内侧距离土星约595万千米，宽度约1190万千米它的直径相当于300倍土星的直径。可容纳大约10亿个地球。光环由冰和尘埃微粒组成，它们之间的距离如此之大，即使你站在光环上也看不清楚，另外土星照射到的太阳光线很少，光环反射出的可见光更少，令它难以被发现组成光环的尘埃温度很低，仅有-193℃，但却散发出热辐射。NASA斯皮策太空望远镜正是捕捉到这些热辐射，才发现了这个巨大的光环。土卫九的轨道穿越该光环。科学家们认为，光环内的冰和尘埃来自于土卫六与彗星的碰撞。光环的发现可能有助于解释关于土卫八的一个古老而神秘的问题。天文学家卡西尼1671年首次发现土卫八，称这个星球一面黑一面白，就像太极符号一样。新发现的光环旋转轨道与土卫八相反。科学家们推测，光环内的尘埃飞溅到土卫八表面上，形成了黑色区域。“长久以来，航天学者一直认为土卫九与土卫八表面之上的黑色物质之间存在某种联系，新发现的光环为此提供了令人信服的证据。”新光环的发现者之一、马里兰大学专家道格拉斯·汉密尔顿说。

▌卫星

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，到2019年已经确认的卫星有82颗，其中53颗已经有了正式的名称，29颗仍然未被命名。还另外3颗卫星可能是环上尘埃的聚集体而未能确认。此外，有证据表明，土星环中有数十至数百个直径为40-500米的小卫星，不被认为是真正的卫星。从理论上来说，所有在环上的大冰块都是卫星，但要区分出是环上的大冰块还是小卫星是很困难的。许多卫星都非常的小，34颗的直径小于10千米，另外13颗的直径小于50千米，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。

土星有一个显著的环系统，主要的成分是冰的微粒和较少数的岩石残骸以及尘土已经确认的土星的卫星有62颗，其中9个是1900年以前发现的。土卫六是土星系统中最大和太阳系中第二大的卫星（半径2575千米）（太阳系最大的卫星是木星的木卫三半径2634千米），比行星中的水星还要大；而且土卫六是太阳系仅有的拥有明显大气层的卫星。最先发现的前九颗卫星按距离土星由近到远排列为：土卫一、土卫二、土卫三、土卫四、土卫五、土卫六、土卫七、土卫八、土卫九。但土卫十比土卫一更靠近土星，离土星的距离只有159500千米，仅为土星赤道半径的2.66倍，已接近洛希极限。这些卫星在土星赤道平面附近以近圆轨道绕土星转动。

1980年，当旅行者号探测器飞过土星时，在原有的九颗卫星（土卫一到土卫九）基础上，又发现了八颗新的卫星。但是很难说土星究竟有多少卫星。一些组成土星光环的较大的粒子实际上也许就是小卫星。土星在太阳系中拥有的卫星最多。跟木星卫星不一样，土星卫星不能简单地以成分和密度归类划分。“旅行者号”所发现的卫星显示出复杂多样的特征。

天文学家从旅行者号探测器发回的资料发现，除土卫六外，土星的其他卫星都比较小，在寒冷的表面上都有陨击的疤痕，像破碎了的蛋壳。土卫一表面上有一个直径达128千米的赫歇尔陨石坑；土卫二有着荒凉的平原、陨石坑和断皱的山脊，它的不同区域代表着不同的历史时期；土卫三上有一个又深又宽，长约800千米的裂谷；土卫四表面有稀疏而明亮的条纹，它们都环绕着陨石坑。

2019年10月，国际天文联合会小行星中心宣布，研究人员在土星周围新发现20颗卫星。这20颗新发现的土星卫星每颗直径仅约5千米，其中17颗是逆行卫星，即绕土星运转方向与土星自转方向相反；另3颗为顺行卫星。它们都属于距土星较远的外层卫星，其中一颗逆行卫星是迄今已知距土星最远的卫星。依照轨道倾角的不同，土星的外层卫星被划分为诺尔斯群、高卢群和因纽特群。新发现的卫星中，有两颗顺行卫星被归入因纽特群，研究人员认为这两颗卫星与该群其他成员一样，都是由一颗大卫星在遥远的过去分裂而成。17颗逆行卫星被划入诺尔斯群，它们可能也曾同属于一颗更大的卫星。还有一颗顺行卫星轨道倾角与高卢群卫星相似，但其轨道半径比包括高卢群成员在内的其他顺行卫星都大得多。

▌世界纪录

土星是密度最小的行星，拥有最多的卫星，发生过最高的风眼墙、持续时间最长的闪电暴。土星周围宽阔的环系也是太阳系中最大的环系。