土星的羽翼為何若隱若現(xiàn)？土星環(huán)的兩次“消失”之謎！

在今年3月24日，土星環(huán)曾從地球視角中“消失”。而沒過多久，在5月7日，土星環(huán)再度“消失”。這接連兩次消失是由什么導致的？光彩絢麗卻變幻莫測的土星環(huán)背后究竟隱藏著怎樣的秘密呢？

PART.01土星環(huán)

橫看遮天蔽日，側看薄如蟬翼

土星環(huán)由無數(shù)大小不一的碎塊和顆粒組成，其主要成分是冰晶，此外也有一些巖石與塵埃。這些顆粒有的直徑數(shù)米，有的則僅微米大小因此細不可見，它們充滿間隙地散布在土星的赤道平面上。

由冰晶所組成的無數(shù)碎塊在陽光下能反射出絢麗的色彩，較高的反射率使得土星環(huán)在望遠鏡下能清晰地為人所見。

但盡管如此，我們依然無法用肉眼觀察土星環(huán)；甚至在伽利略最早用自制的望遠鏡發(fā)現(xiàn)土星環(huán)的存在時，他也未能分辨出其獨特的環(huán)帶形狀，而是將它當作土星周圍的“耳朵”或“手柄”，當成了兩顆衛(wèi)星。

土星環(huán)非常之寬，從內(nèi)側的D環(huán)到外側的A環(huán)之間的距離約有7萬到14萬公里，這一寬度足以擺放十幾個地球。

如果將土星環(huán)外部更為稀薄的環(huán)也算入其中，那么星環(huán)的整體寬度能達到30萬公里以上，約為土星直徑的2.5倍或地球直徑的24倍。

但與此同時，土星環(huán)的厚度卻僅為10米到100米。其寬度與厚度的比例如此懸殊，有著百萬甚至千萬倍的差距——要知道，一張A4紙的寬度也不過是紙張厚度的兩千倍。因此，即使用“薄如蟬翼”這種詞語，也無法形容土星環(huán)表面的寬闊與邊緣的纖薄。

PART.02土星角度的變化

與土星環(huán)“消失”之謎

01土星環(huán)傾斜角的周期性變化

土星環(huán)呈現(xiàn)出了詭秘的形狀與絢麗的色彩，但我們作為觀察者始終立足于地球之上。地球與土星這兩顆行星圍繞著太陽旋轉，前者公轉周期為一年，而后者公轉周期為29.46年。兩者如同永不停歇的華爾茲舞者，始終變幻著其位置和距離。

與地球的黃赤交角類似，土星的自轉軸與公轉軌道之間也存在約為27度的夾角，因此土星并不會始終以同一角度朝向地球，土星環(huán)的傾斜角度會隨著土星的公轉，以約30年為一個周期不斷起伏，其變化幅度約為50多度。

與此同時，地球的公轉也會導致我們看向土星環(huán)的角度發(fā)生變化，讓土星環(huán)傾斜角隨著地球的公轉周期發(fā)生小幅度的起伏。

土星光環(huán)對地球的傾斜角度隨時間的變化

02

每15年一次，土星環(huán)定期“消失”？

當土星的赤道面與地球的視線完全平行，亦即土星環(huán)相對于地球的傾斜角變化到0度時，我們在地球上使用望遠鏡看到的土星環(huán)就會變得不易看到，甚至完全消失。

但這一“消失”不是真正的消失，如我們剛才所說，土星環(huán)的厚度遠遠低于其寬度，當我們從側面觀察這種薄如蟬翼的結構，土星環(huán)看起來就像是消失不見了，我們只能看到一個孤零零的土星。

這種土星環(huán)“消失”現(xiàn)象大約每13到15年就會發(fā)生一次。上一次“消失”正是發(fā)生在今年的3月24日，再上一次則發(fā)生在2009年9月4日。

攝影師Alan Friedman在2004-2009年間拍攝的土星照片，記錄了土星光環(huán)在2009年的“消失”。圖源：APOD

根據(jù)這一周期性規(guī)律，我們可以預知下一次土星環(huán)“消失”將發(fā)生于2038到2039年。

值得注意的是，由于地球公轉所導致的土星環(huán)傾斜角小幅度波動，這種“傾斜角減小為零”的現(xiàn)象將在2039年前后反復發(fā)生三次，屆時我們將在六個月內(nèi)連續(xù)三次目睹土星環(huán)的“消失”。

其實土星環(huán)的“消失”并非一件壞事。這一明亮光環(huán)的消失將為科學家們提供絕佳的觀測時機，對土星狀況及其周圍的衛(wèi)星分布開展研究。

土星環(huán)平面穿越常常被比喻為從側面觀察一張平坦的紙張。 美國宇航局

03

太陽照射角度導致土星環(huán)“消失”

除了上述原因之外，土星環(huán)還可能在其他因素的影響下變得不可見。

例如，當太陽直射土星赤道時，能被光線照亮的就只有土星環(huán)薄薄的一層邊緣，而土星環(huán)廣闊的表面因為缺少太陽光的照射而變暗，看起來就像是消失了一樣。

土星環(huán)于5月7日的那次“消失”，正是由這一原因所導致的。

PART.03土星環(huán)會真正消失嗎？

土星所處的宇宙環(huán)境危險而復雜，與之相比，土星環(huán)這一松散、疏離而又纖薄的結構看起來顯得格外脆弱。那么，土星環(huán)真的能一直存在下去嗎？這一奇異和美麗的光環(huán)是否會在某一時刻驟然消失？土星是否會失去這一圈光彩的羽翼，只剩下孤零零的球體？

其實，科學家們對于這一問題早就有了研究。在土星磁場的作用之下，土星環(huán)的粒子會不斷地墜入土星大氣層，形成“環(huán)雨”，許多探測器的探測結果都表明了“環(huán)雨”現(xiàn)象的實際存在。

根據(jù)詹姆斯·奧多諾霍（James O'Donoghue）的研究，土星高緯度地區(qū)的“環(huán)雨”每半小時就能從土星環(huán)中抽取走相當于一個游泳池的水量。這意味著土星環(huán)的壽命可能不足1億年。

因此，土星環(huán)可能并不是隨著土星的出現(xiàn)而一同產(chǎn)生的，它們或許是后來才聚集形成的附屬物，因為這一脆弱的結構很難伴隨著土星的出現(xiàn)持續(xù)存在45億年之久，相比于土星漫長的生命周期而言，土星環(huán)的存在可能只是曇花一現(xiàn)。

換句話說，人類足夠幸運，出現(xiàn)在了有土星環(huán)存在的時刻里，這才沒有與它的美麗擦肩而過。

作者：蝌蚪君

審核：劉穎 李培元

審核專家：劉勇 中國科學院國家空間科學中心研究員、中國航天科普大使