土星可算是太陽系中較為奇特的一顆行星，在望遠(yuǎn)鏡中看來，它的外表猶如一頂草帽，在圓球形的星體周圍有一圈很寬的“帽沿”，這就是土星光環(huán)，又稱土星環(huán)。光環(huán)的存在使得土星成為群星中最美麗的一顆，令觀賞者贊嘆不已。幾百年來，人們一直以為太陽系中唯獨土星才有光環(huán)。直到本世紀(jì)70年代后期至80年代后期，天王星環(huán)、木星環(huán)和海王星環(huán)的相繼發(fā)現(xiàn)才使這一觀點得以改變。

 美麗的土星環(huán)

土星最讓人著迷的便是美麗的土星環(huán)。

伽利略在1610年用自制望遠(yuǎn)鏡觀察土星時，發(fā)現(xiàn)土星有兩個“耳

朵”。他誤認(rèn)為土星可能是由一大二小三個天體組成，懷疑這兩耳朵是兩顆衛(wèi)星。但他一直不敢將觀察結(jié)果發(fā)表，其原因是“衛(wèi)星”并沒有繞土星公轉(zhuǎn)，似乎永遠(yuǎn)停留不動。而更令他驚奇的是那兩顆“衛(wèi)星”兩年后竟然失蹤，三年后又重新出現(xiàn)。

半個世紀(jì)后，荷蘭天文學(xué)家惠更斯(Christiaan Huygens) 用更大更好的望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測，才揭開了這個謎。原來那兩顆“衛(wèi)星”是與土星不相連接、環(huán)繞在土星赤道面上的光環(huán)。這光環(huán)由無數(shù)形狀、大小不等，直徑在7.6厘米～9米之間的冰塊組成，以很快的速度圍繞土星運(yùn)轉(zhuǎn)，在太陽光的照耀下呈現(xiàn)出各種顏色。光環(huán)的直徑達(dá)27萬千米，厚度為10千米左右，自東向西自轉(zhuǎn)。1675年，意大利天文學(xué)家卡西尼(Giovanni Domenico Cassini)發(fā)現(xiàn)光環(huán)中有一圈空隙，這就是著名的卡西尼環(huán)縫。

土星環(huán)的結(jié)構(gòu)在17～19世紀(jì)被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)。到20世紀(jì)80年代初，至少3個探測器對土星“走馬觀花”，發(fā)現(xiàn)環(huán)的結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜。

人們根據(jù)地面觀測和空間探測，把土星環(huán)劃分為7層。距土星最近的是D環(huán)，亮度最暗;其次是C環(huán)，透明度最高;B環(huán)最亮;最后是A環(huán)。在A 環(huán)和B環(huán)之間就是著名的卡西尼環(huán)縫，縫寬約5000千米。在A環(huán)之外有E、F、G三個環(huán)，最外層的是E環(huán)，十分稀薄和寬廣。

“旅行者1號和2號”探測器把土星環(huán)的近距離照片送回后，科學(xué)家們非常吃驚：原來每一層又可細(xì)分成上千條大大小小的小環(huán)，即使被認(rèn)為空無一物的卡西尼縫也存在幾條小環(huán)。在照片中可見到F環(huán)有5條小環(huán)相互纏繞在一起。土星環(huán)的整體形狀類似一張巨大的密紋唱片，從土星的云頂一直延伸到32萬千米遠(yuǎn)的地方。 光環(huán)的顏色遠(yuǎn)看是紅棕色，其實每層都稍有不同，C環(huán)是藍(lán)色，B環(huán)內(nèi)層為橙色，外層為綠色，A環(huán)為紫色，卡西尼縫是藍(lán)色的。

土星的自轉(zhuǎn)軸和地球一樣，也是傾斜的，土星的軸傾角是26.73°，地球則是23.45°。由于土星的光環(huán)和赤道是在同一平面上，所以它是對著太陽(也對著我們)傾斜的。當(dāng)土星運(yùn)行到其軌道的一端時，我們可由上往下看見光環(huán)近的一面，而遠(yuǎn)的一面仍被遮住。當(dāng)土星在軌道的另一端時，我們就可由下往上看到光環(huán)近的一面，而遠(yuǎn)的一面依然被遮住。土星從軌道的這一側(cè)轉(zhuǎn)到另一

側(cè)需要14年多一點。

在這段時間內(nèi)，光環(huán)也逐漸由最下方移向最上方。行至半路時，光環(huán)恰好移動到中間位置，這時我們觀察到光環(huán)兩面的邊緣連接在一起，狀如“一條線”。隨后;土星繼續(xù)運(yùn)行，沿著另一半軌道繞回原來的起點，這時光環(huán)又逐漸地由最上方向最下方移動;移到正中間時，我們又看見其邊緣連接在一起。因為土星環(huán)非常薄，所以當(dāng)光環(huán)狀如“一條線”時就好像消失了一樣。1612年年底伽利略看到的正是這種情景;據(jù)說由于懊惱，他沒有再觀察過土星。

1675年，J.D.卡西尼發(fā)現(xiàn)，土星環(huán)并不是一個完整的光環(huán)。在光環(huán)的周圍有一條暗線，把光環(huán)分成內(nèi)外兩部分。外面的一部分比較窄，而且不如里面那一部分亮，看起來像是兩個環(huán)套在一起。從那以后，土星環(huán)一直被認(rèn)為是由幾個環(huán)組成的，這條暗線現(xiàn)在叫做卡西尼縫。

1826年，德國血統(tǒng)的俄國天文學(xué)斯特魯維把外面的環(huán)命名為A環(huán)，把里面的環(huán)命名為B環(huán)。1850年，美國天文學(xué)家W.C.邦德宣稱，還有一個比B環(huán)更靠近土星的暗淡光環(huán)。這個暗淡光環(huán)就是C環(huán)，C環(huán)與B環(huán)之間并沒有明顯的分界。

在太陽系的任何地方都沒有像土星環(huán)那樣的東西，或者說，用任何儀器我們也看不到任何地方有像土星環(huán)那樣的光環(huán)。誠然，我們現(xiàn)在知道，圍繞著木星有一個稀薄的物質(zhì)光環(huán)，且任何像木星和土星這樣的氣體巨行星都可能有一個由靠近它們的巖屑構(gòu)成的光環(huán)。然而，如果以木星的光環(huán)為標(biāo)準(zhǔn)，這些光環(huán)都是可憐而微不足道的，而土星的環(huán)系卻是壯麗動人的。從地球上看，從土星環(huán)系的一端到另一端，延伸269,700公里(167,600英里)，相當(dāng)于地球?qū)挾鹊?1倍，實際上幾乎是木星寬度的2倍。

土星環(huán)到底是什么呢?J.D.卡西尼認(rèn)為它們像鐵圈一樣是平滑的實心環(huán)?？墒牵?785年拉普拉斯(后來他提出了星云假說)指出，因為環(huán)的各部分到土星中心的距離不同，所以受土星引力場吸引的程度也會不同。這種引力吸引的差異(即我前面提過的潮汐效應(yīng))會將環(huán)拉開。拉普拉斯認(rèn)為，光環(huán)是由一系列的薄環(huán)排在一起組成的，它們排列得如此緊密，以致從地球的距離看去就如同實心的一樣。

可是，1855年，麥克斯韋(后來他預(yù)言了電磁輻射寬頻帶的存在)提出，即使這種說法也未盡圓滿。光環(huán)受潮汐效應(yīng)而不碎裂的惟一原因，是因為光環(huán)是由無數(shù)比較小的隕星粒子組成的，這些粒子在土星周圍的分布方式，使得從地球的距離看去給人以實心環(huán)的印象。麥克斯韋的這一假說是正確的，現(xiàn)在已無人提出疑義。

法國天文學(xué)家洛希用另一種方法研究潮汐效應(yīng)，他證明，任何堅固的天體，在接近另一個比它大得多的天體的時候，都會受到強(qiáng)大的潮汐力作用而最終被扯成碎片。這個較小的大體會被扯碎的距離稱為洛希極限，通常是大天體赤道半徑的2.44倍。這樣，土星的洛希極限就是2.44乘以它的赤道半徑60,000公里，即146,400公里，A環(huán)的最外邊緣至土星中心的距離是136,500公里(84,800英里)，因此整個環(huán)系都處在洛希極限以內(nèi)。(木星環(huán)也同樣處在洛希極限以內(nèi)。)

很明顯，土星環(huán)是一些永遠(yuǎn)也不能聚結(jié)成一顆衛(wèi)星的巖屑(超過洛希極限的巖屑會聚結(jié)成衛(wèi)星——而且顯然確實如此)，或者是一顆衛(wèi)星因某種原因過分靠近土星而被扯碎后留下的巖屑。無論是哪一種情況，它們都是余留的一些小天體。(被作用的天體越小，潮汐效應(yīng)也就越小，碎片小到某個程度之后，就不再繼續(xù)碎裂了，除非兩個小天體相互間偶爾碰撞。)據(jù)估計，如果將土星環(huán)所有的物質(zhì)聚合成一個天體，結(jié)果將會是一個比我們的月亮稍大的圓球。

土星環(huán)的發(fā)現(xiàn)

自從意大利著名天文學(xué)家伽里略在1609年首次用望遠(yuǎn)鏡觀測星空以來，新的發(fā)現(xiàn)經(jīng)他之手接踵而至。1610年7月，他把望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)了土星。在這架放大倍數(shù)只有30倍而又不完善的望遠(yuǎn)鏡中，伽里略看到土星兩旁有某種奇怪的附屬物。實際上他所觀測到的便是土星兩側(cè)的光環(huán)部分。但是，伽里略并沒有認(rèn)識到這一點。鑒于在這之前他已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了木星的四顆大衛(wèi)星，于是便相信土星兩側(cè)也有兩個衛(wèi)星之類的小天體。然而，由于情況不如木星衛(wèi)星那樣明白無疑，伽里略沒有直截了當(dāng)?shù)匦歼@一發(fā)現(xiàn)。

任何一位科學(xué)家在感覺到將要作出一項重要發(fā)現(xiàn)之時，往往會為兩種感情所支配：一方面怕別人走在自己的前面而想盡快地發(fā)表它，另一方面又擔(dān)心會犯大錯誤而不想輕率地過早加以發(fā)表。在伽里略時代學(xué)者們?yōu)榇送捎靡环N稱為"字母顛倒法"的密碼記錄方式來簡要地記載自己所作出的發(fā)現(xiàn)，這種記錄除了發(fā)現(xiàn)者本人外幾乎誰也無法加以破譯。當(dāng)發(fā)現(xiàn)者過一段時間后確證了這項發(fā)明之時，便把自己早已寫好的那份"天書"譯出來，從而保留了對該項發(fā)現(xiàn)的優(yōu)先權(quán)。

伽里略對他的土星觀測結(jié)果便采用了這種方法。他當(dāng)時所做的記錄是由39個拉丁字母混亂排列的一長排符號串，其真實含義是"觀測到一顆最高的三重行星"。這里"最高的"即指土星，因為土星是當(dāng)時所知離太陽最遠(yuǎn)的行星。1659年，荷蘭科學(xué)家惠更斯證實伽里略觀測到的是一個離開土星本體的光環(huán)。但他開始時也象伽里略一樣采用了字母顛倒的密碼記錄法，不過形式稍有不同，用了總數(shù)為62個拉丁字母的若干符號串。三年后當(dāng)他確信自己結(jié)論正確時才宣布了這組符號串的意義是"土星周圍有一個又薄又平的光環(huán)，它的任何部分與土星不相接觸，光環(huán)平面與黃道面斜交"。

惠更斯以后，人們經(jīng)歷了漫長的過程才對土星環(huán)的本質(zhì)有了正確的認(rèn)識。在最初的兩百年內(nèi)，土星環(huán)一直被認(rèn)為是一個或若干個扁平的固體物質(zhì)盤。1856年英國物理學(xué)家麥克斯韋首先從理論上證明這種環(huán)必須是由圍繞土星旋轉(zhuǎn)的一大群小衛(wèi)星組成的物質(zhì)系統(tǒng)，而不可能是整塊固體物質(zhì)盤。40年后，美國天文學(xué)家基勒通過觀測發(fā)現(xiàn)，土星環(huán)不同部分的旋轉(zhuǎn)速度隨到土星中心距離的增大而減小，并且符合開普勒運(yùn)動定律。如果是剛體轉(zhuǎn)動，則轉(zhuǎn)速因隨距離的增大而增大。這樣就無可辯駁地證實了環(huán)是無數(shù)個各自沿獨立軌道繞土星旋轉(zhuǎn)的大小不等的物質(zhì)塊，從而最終闡明了土星環(huán)的本質(zhì)。事實上當(dāng)遠(yuǎn)方恒星在環(huán)后經(jīng)過時星光并沒有多大的減弱，這也說明它不是一整塊東西，而是一些稀疏分布的分離物質(zhì)塊。現(xiàn)已知道組成環(huán)的小"衛(wèi)星"大都是一些直徑為4~30厘米的冰塊，總質(zhì)量約為土星質(zhì)量的百萬分之一。環(huán)極冷，據(jù)探測溫度低達(dá)-200℃左右。

目前，根據(jù)地面和空間觀測結(jié)果得知，土星環(huán)系的主體含有A、B、C、D、E、F和G七個環(huán)以及環(huán)與環(huán)之間稱為環(huán)縫的一些暗區(qū)。環(huán)編號的次序是根據(jù)發(fā)現(xiàn)時的先后，而不是按它們離土星本體的遠(yuǎn)近來確定的。環(huán)縫則通常以發(fā)現(xiàn)者的名字來命名，它們是一些質(zhì)點密度相對很小的區(qū)域。最里面的是D環(huán)，內(nèi)側(cè)幾乎觸及土星表面，寬約為12000公里，與C環(huán)內(nèi)緣隔開一個1200公里寬的蓋林縫。C環(huán)很暗，寬約19000公里。C環(huán)外是既寬又亮的B環(huán)，它與C環(huán)相隔一條寬1800公里的法蘭西縫，寬度約為25000公里，可以并排放上兩個地球。再往外就是A環(huán)，亮度僅次于B環(huán)，寬約15500公里。A、B兩環(huán)間是寬度為5000公里的卡西尼環(huán)縫，由著名天文學(xué)家卡西尼于1675年發(fā)現(xiàn)。卡西尼縫是永久性的環(huán)縫，另一條永久性環(huán)縫為A環(huán)中的恩刻環(huán)縫，寬度只有876公里。其他環(huán)縫既不完整又具有暫時性。A環(huán)向外依次為F、G和E環(huán)。其中F環(huán)很窄，寬度僅為30公里，它與A環(huán)間寬約3600公里的空缺區(qū)取名為"先鋒縫"。F環(huán)和G環(huán)都是空間飛船發(fā)現(xiàn)的。E環(huán)的情況比較復(fù)雜，物質(zhì)分布呈現(xiàn)某種結(jié)構(gòu)，寬度超過8萬公里，一直延綿到離土星表面20萬公里以遠(yuǎn)的空間中。

土星環(huán)系的總寬度超過20萬公里，而最大厚度卻不超過150米，真可謂"其薄如紙"!無怪乎當(dāng)它以側(cè)面對我們時會消失殆盡，這一點也曾使伽里略對自己的發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生懷疑呢!關(guān)于環(huán)的起源至今未有定論，一種最流行的觀點認(rèn)為，當(dāng)一顆衛(wèi)星離開土星太近時會為土星起潮力所瓦解，其結(jié)果便形成今天的光環(huán)。

土星光環(huán)的成因

巨大的光環(huán)使土星成為太陽系里一顆非常美麗的行星。土星的光環(huán)其實可分成幾個不同的部分，最明亮、寬闊的是 A 環(huán)和B 環(huán)，較暗的是 C 環(huán)。光環(huán)的各部分之間有明顯的裂縫，最大裂縫的是A 環(huán)和 B 環(huán)間的Cassini 裂縫，它是由 Giovanni Cassini 在 1657 年發(fā)現(xiàn)的。

A 環(huán)內(nèi)的 Encke 縫則是由 JohannEncke1837 年發(fā)現(xiàn)的。通過飛船的探測，人們還發(fā)現(xiàn)較寬的光環(huán)其實是由許多狹窄的小環(huán)組成的。

光環(huán)的形成原因還不十分清楚，據(jù)推測可能是由彗星、小行星與較大的土衛(wèi)相撞后產(chǎn)生的碎片組成的。

光環(huán)可能含有大量的水份，構(gòu)成它們的是直徑從幾厘米到幾米的冰塊和雪球。某些光環(huán)，如 F 環(huán)的結(jié)構(gòu)在鄰近的衛(wèi)星引 力拉扯下結(jié)構(gòu)發(fā)生了細(xì)微的變化?？茖W(xué)家在“旅行者”號飛船發(fā)回的一張圖片中發(fā)現(xiàn)，土星寬闊的 B 環(huán)上帶有放射狀的陰影，但在“旅行者”號此后拍攝的其他圖片中卻沒有。

據(jù)推測，這一現(xiàn)象可能因為光環(huán)在某些時候帶有靜電，漂浮在宇宙中的塵埃被吸附而造成的。

土星光環(huán)的成因的新探索

據(jù)國外媒體報道，數(shù)百年來，全世界的天文學(xué)家們一直在嘗試著研究和查明土星光環(huán)的結(jié)構(gòu)。同時，這些光環(huán)的成因則更顯得神秘莫測。不過，“卡西尼”號探測器傳回的最新觀測數(shù)據(jù)最終揭開了土星光環(huán)的“身世”——它們在數(shù)億年前均曾是土星的衛(wèi)星，最終發(fā)生分解并演化為現(xiàn)在的帶狀結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)在，那些曾經(jīng)的衛(wèi)星已演化為體積相對平均的小石塊、灰塵和氣體。正如天文學(xué)家們所指出的，這一演化過程至少可以在土星的一條光環(huán)——G環(huán)上得到驗證。

科學(xué)家們在研究過程中發(fā)現(xiàn)，位于土星光環(huán)群外側(cè)的G環(huán)目前還受到了土衛(wèi)一引力的影響。

美國宇航局的專家們指出，土星G環(huán)由于距離其他環(huán)較遠(yuǎn)，因此直到1979年才被飛經(jīng)土星的“先驅(qū)”號探測器偶然發(fā)現(xiàn)。當(dāng)時在科學(xué)家中間立刻產(chǎn)生了一個疑問：為什么這條光環(huán)距離土衛(wèi)一如此之近，卻并未分解為塵埃狀的云團(tuán)(土衛(wèi)一的直徑為400公里，距離G環(huán)約15000公里)。

借助“卡西尼”號獲取的最新數(shù)據(jù)，科學(xué)家們現(xiàn)在終于可以為這一謎題給出答案。這是由于，在G環(huán)的內(nèi)側(cè)存在著一個明亮的弧狀結(jié)構(gòu)，NASA的專家們認(rèn)為，該弧線是由一些直徑為數(shù)十米的大塊巖石組成的。這些相對較大的巖石在微型隕石的不斷轟擊下逐步分解并不斷演化為光環(huán)的一部分。

不過，如果G環(huán)中的所有“大型”天體能夠融合為一個整體，那將會形成一個新的衛(wèi)星。NASA認(rèn)為，這顆衛(wèi)星確實曾經(jīng)存在過。

NASA埃姆斯研究中心的杰夫·庫茲表示：“在土星G環(huán)中確實曾存在過一顆衛(wèi)星。但不知何時，它發(fā)生了解體，并演化為一條由冰塊和碎石構(gòu)成的光環(huán)。現(xiàn)在，我們可以清楚地看到這些前衛(wèi)星的殘骸是如何環(huán)繞土星運(yùn)動的。”

現(xiàn)在，G環(huán)中的那些大型天體正受到來自土衛(wèi)一的弱引力作用。“卡西尼”號已清楚地記錄下了這種引力的存在。

不過，科學(xué)家們也指出，在G環(huán)和土衛(wèi)一之間存在著相互間的引力作用，并由此產(chǎn)生了所謂的“共振效應(yīng)”。據(jù)推算，G環(huán)中的這些較大天體將會不斷發(fā)生分解并平均分散到整個軌道上。由此同時，由于這些天體的消失，土衛(wèi)一受到的引力將會減小，并有可能逐漸遠(yuǎn)離土星軌道。

從秋到冬的土星光環(huán)

6月7日，美國國家航空航天局在華盛頓展示了一組哈勃太空望遠(yuǎn)鏡從1996年到2000年間拍攝的土星照片。該組照片(從左下到右上)展現(xiàn)了土星北半球從秋分到冬至這段時間內(nèi)光環(huán)的各個形狀。土星赤道與其運(yùn)行軌道成27度斜角，與地球的23度角十分

相似。土星的光環(huán)僅10米厚，之所以略帶紅色，是因為它由有機(jī)物和冰構(gòu)成。目前，天文學(xué)家們正在研究這組照片，分析土星光環(huán)色彩和亮度的具體細(xì)節(jié)問題。

土星的光環(huán)地球可不可以擁有

土星外圍的光環(huán)是一堆巖石，因為地球排地3位而太陽系的隕石堆都在火星與木星距離的空間或在海王星以外，它們都受太陽影響圍繞。因為土星與木星都有非常強(qiáng)大的引力能吸引它們，而地球不僅遠(yuǎn)離它們又沒有土星與木星這么大的質(zhì)量，所以地球是不可能擁有的。