太陽系之旅─土星 製作人：周孫一

2 土星是距離太陽(Sun)第六個位置的行星，也是第二 大的行星。 軌道距離太1,429,400,000km(9.54 天文單位AU ) 質量：5.68e26 kg     在羅馬神話中，土星(Saturn)是農業之神，相關的希臘神祇是 克隆納斯(Cronus)，他是天王(Uranus)和大地之母蓋婭(Gaia)的兒子，泰坦(Titan)巨神之一，曾經接替他的父親成為統治宇宙之神，後來被他的兒子宙斯(Zeus，木星)取而代之。土星(Saturn)這個字也是英文字中〝星期六(Saturday)〞的字根。 2

土星在史前時代就已經被注意到了，1610年時的 伽利略(Galileo)則是首次利用望遠鏡進行觀測，他注意到土星非常奇特的外觀，但是他對於這個現象感到非常困惑。早期對於土星的觀測非常複雜，這是因為當土星在軌道上運行時，會有幾年的時間，地球正好穿越土星 環所在的那個平面，讓我們和土星環成一直線而無法看見它。於是後來一張低 解析（resolution）的土星影像徹底地解除了大家的疑惑， 克李斯提 安惠更斯(Christiaan Huygens)就在1659年正確地指出土星環的幾何位置。原本大家都以為土星環是太陽系中獨一無二的構造，直到1977年時才在 天王星(Uranus) 周圍也發現了一道黯淡的環(然後很快又在 木星Jupiter和海王星Neptune)周圍也同樣發現了環的存在)。 3

土星最早是在1979年被先鋒11號(Pioneer11) 所造訪，然後接著有航海家1號(Voyager 1)和 航海家2號(Voyager 2)。現在還在路途上的 卡西尼號(Cassini)則在2004年到達土星。 土星從小型的望遠鏡中看起來有一點扁扁的(扁球體oblate)，它的赤道和兩極的半徑之間相差了10%(120,536km對108,728km)。這是由於他自轉的速度又快，而其本身又是流體的緣故，其實其他的氣態行星也都是扁球體，只不過沒那麼扁就是了。 土星是密度最小的行星，它的比重(0.7)甚至比水還小。 和木星一樣，土星是由75%的氫和25%的氦所組成，加上非常微量的水、甲烷、氨以及〝岩石〞，這和太陽系形成當時，原始 太陽星雲(Solar Nebula)的組成非常類似。 4

土星的內部非常類似木星，有一個岩石的核心，一層 液態金屬氫(liguid metallic hydrogen)以及氫分子層，還有非常微量而不同種類的 〝冰〞存在。     土星的內部非常熾熱(核心約有12000k)，因此土星輻射出去的能量要比吸收自太陽的多，土星輻射的能量大多源自於所謂 凱文-赫摩玆機制（Kelvin-Helmholtz mechanism），和木星的能量來源相同，不過這還不足以解釋土星的光度，可能尚有其他的機制在進行之中，或許像是土星深層內部的氦元素發生〝大量的原子落塵現象(raining out)〞所造成。 5

木星表面非常顯著的帶狀特徵，在土星表面並不明顯， 而且赤道附近的帶狀區域也要寬廣許多。土星雲層頂端的詳細情況無法從地球表面觀看得到，因此一直要到 航海家號(Voyager)造訪之後，我們才得以研究土星大氣圈環流的詳細狀況。土星有長期存在的橢圓形狀(右圖影像中央的紅班)，和其他類似木星表面常見的特徵。在1990年時，哈伯天文望遠鏡(HST)在土星的赤道附近發現了巨大的雲層，這在航海家號當時是沒有被發現到的，然後在1994年時，又觀察到了一個小型的風暴   兩道顯著的土星環(A和B)和一道比較暗的環(C)是可以從地球上觀測得到的。A環和B環之間的縫隙被稱之為 卡西尼(Cassini)環縫(division)，在A環外緣還有一道更暗的縫隙，稱之為 恩克環縫 Encke division (不過這個名字或許有被誤載了人名，因為恩克很可能根本沒觀測到這個環縫)。 航海家號的照片則顯示出另外四道黯淡的環，土星環不同於其他行星環的最大特徵就是它非常地亮( 反照率albedo約0.2-0.6)。 6

雖然這些環從地球上看起來都是連續的，但是實際上它們是由難以估計的小顆粒所組成，每一顆都有它自己獨立的軌道，這些顆粒的大小範圍從一公分到數公尺都有，好像還有幾公里大的物體也在裡面的樣子。    土星環非常地薄：雖然它們的直徑可以達到250,000 km以上，不過厚度僅有1.5 km而已。除了令人印象深刻的外觀之外，土星環裡面還有非常非常多的小東西，如果把土星的環合成一個單一的星體的話，將會超過100公里以上那麼大。    土星環中的顆粒似乎主要是由水形成的冰粒所組成，不過它們也可能是外層包著冰的小石粒。    航海家號確認了土星環中具有令人困惑的輻射狀不均勻性，稱之為〝環輻(spokes)〞，這是由業餘天文學家所首先報導出來的。它們的本質至今仍然成謎，但是可能和土星的磁場有點關係。 7

土星最外圈的環，F環，是由好幾條單獨的小環組成複雜的結構，我們還可以看見那個〝繩結(knots)〞。科學家們推斷那些繩結可能是一坨土星環的物質，或是小型的衛星。我們可以從航海家一號的影像中看見奇怪的辮子狀(右圖)，不過航海家二號的影像中就沒有辦法看到，這可能是因為它攝影的角度和土星環大致平行的關係。     在土星的衛星和土星環系統之間，有著非常複雜的潮汐 共振(resonances)現象：有些衛星我們稱之為 〝牧羊人衛星(shepherding satellites)〞(例如 阿特拉斯Atlas、 普羅米休斯Prometheus、和 潘朵拉Pandora)，在維持著環的所在位置扮演相當重要角色；卡西尼（Cassini）環縫中之所以物質稀少，可能和 麥馬斯(Mimas)的存在有關，這樣的情況和小行星帶中的 克爾克伍間隙(Kirkwood gaps)非常類似； 潘(Pan)衛星則是位在恩克環縫之中。不過由於整個系統非常地複雜，所以我們一直到現在都還無法有更深一層的認識。 8

土星環(以及其他的類木行星)的由來，至今仍然不為人之。雖然土星環可能是在土星形成當時便一起形成了，但是環的系統並不穩定，它必須有再生的作用持續進行，例如大型衛星的破碎分解，環才能夠維持現在這個樣子。     和其他的類木行星一樣，土星具有顯著的磁場。     在夜晚的時候，土星很容易可以用肉眼 看見。雖然它的亮度不如木星那麼亮，但是因為它不像一般的恆星會〝閃〞，所以很容易辨認。至於土星環和大一點的衛星則可以用小型的天文望遠鏡看到。有好幾個網站 有顯示土星（以及其它行星）目前在天空中的位置，一些天文儀的程式（像是Starry Night）則可以描繪出更詳盡地資料及星圖，大家可以多加利用。 9

圍繞土星軌道飛行的“凱西尼”飛船，借助無線電波首次探明了土星環的結構。它向地球發回的無線電波，還讓科學家首次“看”到了最神秘的土星B環。 　　在實際於5月3日進行的這次探測中，“凱西尼”運用了掩星法觀測。從地球上看來，飛船是“躲”在土星環後面發射無線電信號的，電波穿過土星環到達地球，地面科學家接收到之後，就可以根據電波衰減來判斷土星環物質構成。電波衰減越大，表明土星環中物質越密，反之則表明其中物質稀疏。　　 “凱西尼”這次同時使用了Ka、X和S三個波段的電波，不同尺寸的土星環物質粒子，對三個波段電波的影響也不相同。美宇航局設在地面的“深空探測網路”接收到這些電波，讓科學家能繪製出土星環的物質分佈圖。 10

土星有7個主要的光環，它們是按發現的順序命名的，而按距土星距離由近到遠，順序是D、C、B、A、F、G和E。這些美麗的光環是土星的標誌，但它們的起源迄今尚不可解。其中的B環，此前的探測飛船從來沒有“看”清楚它的結構。　　 而這次“凱西尼”發現，B環確實與眾不同。它本身包含幾個寬度為幾百公里的環帶，物質密度各不相同，而其核心部分是一個寬度達5000公里的厚環帶，其中所包含的物質，密度是相鄰的C環的4倍，A環的20倍。相比之下，土星A環結構平坦，而C環的結構略呈波浪狀。　　“ 凱西尼”無線電探測專案科學家伊薩姆·馬羅夫說，構成土星環的物質顆粒尺寸差異很大，直徑從幾釐米到幾米不等。其中，在B環和A環內側，直徑5釐米以上的顆粒居多，而在A環外側和C環，直徑5釐米以下的顆粒較豐富。　 這次“凱西尼”還觀測到了A環物質分佈的波動現象。科學家說，由於A環緊鄰著土星的一顆衛星，土星和衛星的引力交互作用，使A環中物質分佈起了波動。他們還發現B環物質的一次波動。此前，美宇航局的“航行者”探測器等也曾觀測到土星環物質的波動現象，但沒有“凱西尼”觀察得如此清晰。 11

土星的衛星 土星有18顆已經被命名的行星 除了同步自轉(rotate synchronously)的佛倍(Phoebe)和海帕里歐(Hyperion)之外，其他衛星的自轉速度都已經知道了。 有三組衛星是以彼此之間重力交互作用的方式，維持穩定的軌道關係，它們分別是麥馬斯(Mimas)-泰西斯(Tethys)、恩西阿達斯(Enceladus)-迪歐尼(Dione)以及泰坦(Titan)-海帕里歐(Hyperion)。其中麥馬斯的軌道正好是泰西斯的一半，我們因此稱之為1：2的共振(resonance)，恩西阿達斯-迪歐尼也是1：2，泰坦-海帕里歐則是3：4的共振。 除了18顆已經命名的衛星之外，還有六顆很棒的候選衛星以及至少一打以上曾經被報導，並給予臨時的命名，不過看起來只有最近這六個發現的衛星是真的。 12

由美國宇航局和歐洲宇航局耗資34億美元聯合打造的“凱西尼-惠更斯”號土星探測器在之前的探測工作中，已經通過隨機攜帶的各類探測器和攝像機為人類發現了土星家族的十大秘密： 1,在土星光環中發現氧分子，這說明土星光環中可能有“呼吸”。光環本身包含著無數富有動感和不斷變化的漩渦。 　 2,神秘的土衛九。對土衛九的觀察更多的是讓人們猜測土衛九很可能是太陽系外的來客，它的年齡甚至比土星還大；它僅反射6%的光照並且圍繞土星做逆向旋轉。這種種疑點足以讓人們相信，土衛九很可能在遠古時代被土星從柯伊伯帶搶奪到自己身邊。 3,20年來，土星自轉速度竟然減慢了1%。這一聳人聽聞的事實足以讓科學家們重新認識行星自轉與其磁場之間的相互關係。 13

4,20年來，土星北半球的模樣發生了急劇的變化。那裏突然變得有點發藍了，就像天王星和海王星一般。有人猜測，這一變化可能是由光環的陰影所致。 5,土衛六的地形太像地球了，那裏的地面還保留著風力和烴物質侵蝕過的痕跡。 6,土星的小衛星——土衛二的大氣竟然能夠影響到巨人土星的磁場。 7,土星的光環和衛星在不斷地相互影響、相互作用，這也在不斷地改變著土星光環的相貌。研究發現，土星那顆享有“普羅米修士”高貴名稱的衛星(土衛十六)卻在不斷地偷竊F環中的岩石。 8,土星擁有了一個新的輻射帶，它位於D環和大氣頂端之間。 9,土衛八上有一座高度達20公里的神秘牆。也許，在過去某個時期，土衛八與土星光環發生過一次碰撞並因此在其赤道地區形成了這樣一道類似於山脈的傷疤。 10,土衛四上網狀的裂痕更令科學家們百思不得其解。 14

15 美國太空總署的哈勃太空望遠鏡在過去四年，拍攝到土星上季節的變化，幫助科學家研究土星的情況。 科學家指出，和地球相似，土星(Saturn)的軸(axis)是向它的軌道(orbit)傾斜二十七度，而地球則傾斜二十三程，因此，當土星環繞太陽(sun)運行時，土星地面會產生季節的轉變。 圖中所見，是太空總署(NASA)的哈勃太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)在一九九六年至二零零零年，拍攝到土星的照片，左下角的照片是土星北半球(Northern Hemisphere)進入秋分(autumnal equinox)時拍攝的，而右上角的照片是土星北半球進入冬至(winter solstice)時拍攝的。 15

土星離太陽約九點五天文單位(Astronomical Units)，亦即是地球和太陽的距離的九點五倍，大約是十四億公里，土星每二十九年環繞太陽一次，而土星自轉一次，只需要十小時，由於自轉的速度比較快，土星的南、北極是比較平坦； 照片所顯示的色彩，是由太陽紫外線(ultraviolet)照耀在土星大氣層內的甲烷(methane)所產生的；土星的直徑是十二萬公里，科學家相信，土星表面並沒有陸地，只有濃厚和高溫的氣體。 16

參考資料： hcc.earth.sinica.edu.tw/earth/ star/chinese/nineplanets/saturn.html fd9000.150m.com/saturn_rings.htm www.c-science.com/txt/tc/un/ss/20010609unss.htm

太陽系之旅─土星 東莞台商子弟學校五年二班：周孫一