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土星,為太陽系八大行星之一,至太陽距離(由近到遠)位於第六、體積則僅次於木星。並與木星、天王星及海王星同屬氣體(類木)巨星。古代中國亦稱之鎮星或填星。

1 土星 -簡介

土星古稱鎮星或填星,是太陽系八大行星之一。直徑約119300公里(為地球的9.5倍),是太陽系第二大行星。它與鄰居木星十分相像,表面也是液態氫和氦的海洋,上方同樣覆蓋著厚厚的雲層。土星上狂風肆虐,沿東西方向的風速可超過每小時1600公里。土星上空的雲層就是這些狂風造成的,雲層中含有大量的結晶氨。

2 土星 -基本資料

軌道資料

遠日點距離:1 513 325 783 公里、10.115 958 04 天文單位
近日點距離:1 353 572 956 公里、9.048 076 35天文單位
軌道半長軸:433 449 370公里、9.582 017 20天文單位
軌道離心率:0.055 723 219
軌道周期: 10 832.327 天s、29.657 296 儒略年
會合周期:378.09 天
平均公轉速度:9.69 公里/秒
平均近點角:320.346 750°
軌道傾角:2.485 240°、5.51° 對土星赤道
升交點赤經:113.642 811°
近日點輻角:336.013 862°
衛星:~200顆已觀測過(61顆的軌道已確認)

物理特徵

土星土星
赤道半徑:60 268 ± 4 公里、9.4492 地球 
兩極半徑:54 364 ± 10 公里、8.5521地球半徑 
表面積:4.27×1010公里²、83.703 地球 
體積:8.2713×1014公里³、763.59地球 
質量:5.6846×1026 公斤、95.152地球 
平均密度:0.687公克/厘米³(比水低) 
赤道表面重力:8.96 米/秒²、0.914 g 
宇宙速度:35.5 公里/秒 
恆星自轉周期:0.439-0.449 天(10小時32-47分鐘) 
赤道旋轉速率:9.87 公里/秒、35 500 公里/小時 
軸傾斜:26.73° 
北極赤經:2 h 42 min 21 s、40.589° 
赤緯:83.537° 
反照率:0.342 (綜合的)、0.47 (幾何的) 
表面溫度:1 帕水平、0.1帕 最小 平均 最大、134 K、84 K 
星等:+1.2 to-0.24 
土星角直徑:14.5"- 20.1" 

大氣組成

~96%氫 (H2) 
~3% 氦 
~0.4%甲烷 
 ~0.01%氨 
~0.01%重氫(HD) 
0.000 7%乙烷 

3 土星 -名稱由來

土星土星

土星是中國古代人根據五行學說結合肉眼觀測到的土星的顏色(黃色)來命名的(按照五行學說即木青、金白、火赤、水黑、土黃)。而其他語言中土星的名稱基本上來自神話傳說,例如在歐美各主要語言(英語、法語、西班牙語、俄語、葡萄牙語、德語、義大利語等)中土星的名稱來自於羅馬神話中的農業之神薩圖爾努斯(拉丁文:Saturnus),其他的還有希臘神話中的克洛諾斯(泰坦族,宙斯的父親,一說其在羅馬神話中即薩圖爾努斯)、巴比倫神話中的尼努爾塔和印度神話中的沙尼。土星的天文學符號是代表農神薩圖爾努斯的鐮刀。

 

4 土星 -軌道和自轉

土星發生的土衛六凌土星

土星和太陽的平均距離超過了1400000000 公里(9天文單位),軌道上運行的平均速度是9.69 公里/秒,所以土星上的一年(即土星繞太陽公轉一周)相當於10759個地球日(或是28.5地球年)。土星的橢圓軌道相對於地球軌道平面的傾角為2.48°,因為離心率為0.056,因此土星與太陽在近日點和遠日點(行星在軌道路徑上與太陽最近和最遠的兩個點)之間的距離變化大約為155000000 公里。

土星可見的特徵(如六邊型雲彩)的自轉A class=innerlink title=速率 href="http://www.baike.com/wiki/%E9%80%9F%E7%8E%87">速率根據所在緯度的不同而有所不同,各個的區域的自轉周期如下:「系統I」的周期是10h14min00s(844.3°/d),包含的是赤道區域,從南赤道帶的北緣延伸至北赤道帶的南緣;其他的緯度都屬於周期為10h39min24s (810.76°/d)的「系統II」;基於航海家飛越土星時發現的無線電波,「系統III」的周期為10h39min22.4 s(810.8°/d);因為與系統II非常接近,它可以很大程度上替代系統II。

然而,精確的內部周期仍然未能確定。卡西尼太空船在2004年接近土星時,發現無線電的周期又有可察覺的增加,達到10 h 45 m 45 s(± 36 s)。造成變化的原因仍不清楚,但這種變化被認為是由於無線電的來源在土星內部不同的緯度上運動而改變了自轉周期,而不是出自土星本身自轉周期上的變化。

而後,在2007年,無線電發射被發現沒有跟隨著行星一起旋轉,而可能是由等離子體圓盤的對流造成的,它也與除了行星的自轉之外的其他因素有關。有報道指出,這種測量到的自轉周期的變化也許是由土星衛星土衛二上的噴泉活動造成的。由這種活動而散布進入土星軌道的水蒸氣被電離,從而影響了土星的磁場,使得磁場的旋轉速度相對於土星的自轉被稍稍降低。目前還沒有方法可以直接測定土星核心的自轉速率。

在2007年9月的報告中,根據各種測量結果(包括卡西尼、航海家和先鋒號的報告)綜合而得的對土星自轉的最後估計值是10小時32分35秒。

5 土星 -土星環

主條目:土星環

歷史

土星土星
土星因為它美麗的行星環而出名,它也是最早被發現具有光環的行星。土星環首先被伽利略在1610年7月用自製望遠鏡觀察到。

在1612年,土星環以側面朝向地球,因此看起來似乎是消失不見,伽利略因此而感到困惑不解。在1613年他又再次看見了環,這使伽利略更加困惑。

在1655年,克里斯蒂安·惠更斯觀測到完整的土星環,他使用了一個比在伽利略時代能得到強大得多的望遠鏡。惠更斯觀測土星並寫道:「它(土星)被一個薄且平坦的環環繞著,環與土星沒有接觸,並且相對黃道傾斜。」

在1675年,喬凡尼·卡西尼確定土星環由許多較小的環組成,中間並且有縫存在著,其中最明顯的環縫在不久之後被命名為卡西尼縫。卡西尼縫存在於A環和B環之間,寬度有4800 公里。

在1859年,詹姆斯·克拉克·麥克斯韋提出土星環不可能是固體的,否則將會因為不穩定而碎裂。他認為環是由為數眾多的小顆粒組成的,每個顆粒都獨立地環繞著土星運行。透過光譜學的研究,立克天文台的詹姆斯·基勒在1895年證實了麥克斯韋的理論。

物理特性

關於土星環的起源有兩種主要的理論。一種理論是在19世紀提出的起源於洛希極限,認為環原本是土星的一顆衛星,因為軌道的衰減而落入洛希極限的範圍內,因本身不夠緊密而被潮汐力扯碎(參見洛希極限),這種理論又演變出衛星被小行星或彗星撞擊而瓦解的學說。

第二種理論認為它並非來自衛星,而是從形成土星的原星雲中直接形成的。

土星土星圓環出現神秘扭曲和旋轉

在環中最大的空隙是卡西尼縫和恩克環縫,土星的恩克環縫是在1837年5月28日由恩克於柏林發現的。其他的縫隙可能是與質量較大的衛星軌道周期產生共振造成的,土衛一維繫著卡西尼縫的存在,還有更多的環狀結構因為受到其他衛星周期性的擾動而產生螺旋狀的波浪。

來自卡西尼太空船的資料顯示土星環有自己的大氣層,與行星本身無關而獨立存在。大氣中有氧分子(O2),這是來自太陽的紫外線作用與環中的冰而產生的。水分子之間的鏈結受到紫外線的刺激產生化學作用釋放出並拋出了氣體,尤其是O2。根據這一模型,大氣層中也存在氫氣(H2)。

環中也有稀薄的OH(氧化氫)氣體,如同O2一樣,這些氣體也是水分子的崩解導致的,但這一分解是由高能量離子轟擊土衛二拋射出來的水分子所造成的。這些大氣層儘管非常稀薄,依然還是可以被在地球上空的哈柏太空望遠鏡檢測出來。

土星在它的亮度上呈現複雜的樣式。光度的變化大多可以歸咎於環的變化,並且在每個軌道周期有兩個循環的變化。由於行星軌道的離心率,使得疊加在北半球沖的時候比在南半球沖時更為明亮。

在1980年,航海家1號飛越土星時顯示F-環是由三條細環像編辮子一樣的糾結在一起,而呈現出複雜的結構;現在知道是在外面的二個環有突起的瘤,造成交織和糾結成團的假象,比較暗的第三個環則在它們的內側。

環上的輪輻

B環上的輪輻,是航海家2號在1981年拍攝的。在1980年以前,對土星環的結構和行為完全都以萬有引力的作用來解釋。

航海家太空船在B環上發現被稱為輪輻的輻射線狀特徵,這些無法用同樣的方法來解釋,因為它們的存在和繞著環的轉動,是與軌道力學不一致的。這些輪輻在背景散射光下呈現黑暗,而在前景散射光下顯得明亮。它們被假設是懸浮在圓環平面上的微塵,受到電磁的交互作用而聯繫在一起,因此它們的轉動是與土星的磁氣層同步。但是,造成輪輻的確實機制仍然不清楚。

它們看起來有季節性的變化,在土星的仲冬或盛夏時消失不見,當土星接近分點時又再度出現。在2004年初,當卡西尼太空船抵達土星時這些輪輻都未出現。基於目前對於輻條的成因的模型,一些科學家推測這些輪輻要到2007年後才會出現。然而,通過對卡西尼拍攝的環影像的持續尋找,發現輪輻在2005年9月5日重新出現。

6 土星 -衛星

土星土星

土星有為數眾多的衛星。精確的數量尚不能確定,所有在環上的大冰塊理論上來說都是衛星,而且要區分出是環上的大顆粒還是小衛星是很困難的。到2009年,已經確認的衛星有61顆,其中52顆已經有了正式的名稱;還有3顆可能是環上塵埃的聚集體而未能確認。許多衛星都非常的小:34顆的直徑小於10 公里,另外13顆的直徑小於50 公里,只有7顆有足夠的質量能夠以自身的重力達到流體靜力平衡。

傳統上,土星的衛星的英文名稱都以希臘神話中的巨人來命名,這種慣例源自約翰·赫歇爾(威廉·赫歇爾的兒子),土衛一(「Mimas」)和土衛二(「Enceladus」)的發現者,他在自1847年出版的《在好望角的天文觀測成果》中提出了這種命名法,理由是Mimas和Enceladus是克洛諾斯(希臘神話中的Saturn)的兄弟姐妹。 

7 土星 -探索歷程

古代觀測

土星土星
在史前時代就已經知道土星的存在,在古代,它是除了地球之外已知的五顆行星中最遠的一顆,並且有與其特性相符的各式各樣的神話。在古羅馬神話中它是農神,從這顆行星所採用的名字,它是農業和收穫的神祇。羅馬人認為他與希臘神 克洛諾斯 ,希臘人認為最外層的行星是神聖的克洛諾斯,而羅馬人也承襲這個傳統。

在印度占星學,有9個占星用的天體,像是著名的 納瓦格拉哈歷(Navagraha,梵文),土星是其中之一,稱為"Sani"或"Shani", 法官在重行星之中,由大家共同評判各自的行為是好或是壞。古代的中國和日本文化依據中國的五行之說選定這顆行星是土星,是在傳統上用於自然分類的元素之一。在古希伯來語,土星稱為'Shabbathai',它的天使是卡西爾(Cassiel),意思是智慧之神或有益於身心的;是Agiel(精靈),它更為黑暗的一面就是惡魔(lzaz)。在奧圖曼土耳其使用的烏爾都語和馬來語,它的名稱是'Zuhal',是從阿拉伯文轉化過來的。

使用口徑1.5厘米的望遠鏡就能看見土星環,但直到1610年伽利略用望遠鏡看了才知道它的存在。他雖然起初認為是在土星兩側的衛星,直到克里斯蒂安·惠更斯使用倍數更高的望遠鏡才看清楚並認為是環。惠更斯也發現了土星的衛星土衛六。不久之後,珍-多米尼克·卡西尼發現了另外4顆衛星:土衛八、土衛五、土衛三和土衛四。在1675年,卡西尼也發現了著名的卡西尼縫。

之後一段時間都沒有進一步的有意義發現,直到1789年威廉·赫歇爾才再發現兩顆衛星:土衛一和土衛二。形狀不規則的土衛七和土衛六有著共振,是在1848年被英國發現的。

在1899年,威廉·亨利·皮克林發現土衛九,一顆極度不規則衛星,它沒有如同更大衛星般的同步轉動。菲比是第一顆被發現的這種衛星,它以周期超過一年的逆行軌道繞著土星公轉。在20世紀初期,對土衛六的研究在1944年確認他有濃厚的大氣層 - 這是在太陽系的衛星中很獨特的特徵。

先鋒11號飛越

土星「卡西尼」號探測器拍攝到的土星大氣照片
1979年的9月,先鋒11號成為拜訪土星的第一個人造天體,它從距離行星雲層頂端20 000 公里處飛越,獲得了低解析度的行星和一些衛星的影像,但影像的解析力上不足以分辨表面的特徵。這艘太空船也觀察了環,發現了稀薄的F-環,並且在朝向太陽的方向觀察時原本空白且黑暗的環縫是明亮的,或者換句話說,環縫不是空無一物的。先鋒11號也測量了土衛六的溫度。

航海家的飛越

在1980年11月,航海家1號太空船拜訪了土星系統,送回了第一批行星、環和衛星的高解析度影像,這是第一次人們可以看清土星表面的變化和圍繞著它的各式各樣的衛星。航海家1號執行了近掠土衛六的任務,使人們對這顆衛星大氣層的認識增進了許多。但同時,它也證實了可見光是難以穿透土衛六大氣層的,因此還是未能觀察到土衛六表面的詳情。這次的近掠也改變了太空船的航向,使它的飛行軌道偏離了太陽系的平面。

差不多在一年之後的1981年8月,航海家2號繼續對土星系統進行研究,拍攝了更多土星衛星的近距離照片,並且也發現了土星環和大氣發生變化的證據。不幸的是,在飛越期間,太空船的轉動平台故障了兩三天,使得一些計劃中的影像無法拍攝。完成對土星的觀測之後,太空船利用土星的重力拋射朝向天王星飛去。

這艘太空船發現並確認了一些新的衛星在接近環或環的內部環繞著土星,也發現了一些新的小環縫:馬克士威縫(在C環內的縫)和Keeler環縫(在A環內一個寬42 公里的環縫)。

卡西尼的環繞

從卡西尼號觀察到的土星日食。在2004年7月1日,卡西尼-惠更斯號太空船完成SOI(土星軌道切入)的操縱進入了在土星附近環繞的軌道。在SOI之前,它已經廣泛的研究過這個系統。在2004年6月,它首度近距離的飛越土衛九,並送回了高解析度的影像和數據資料。

卡西尼號飛越土星最大的衛星,土衛六,並且用雷達影像獲得了大湖、海岸線以及許多海島和山的影像。在2004年12月25日釋放登陸艇惠更斯號之前,兩度飛越土衛六。惠更斯號在2005年1月14日登陸土衛六的表面,在大氣層中下降的途中和著陸以後送回了大量的數據。在2005年當中,卡西尼號多次飛越土衛六和其它的冰衛星。卡西尼號最後一次飛越土衛六是在2008年3月23日。

從2005年初,科學家追蹤由卡西尼號發現的土星上的閃電。這些閃電釋放出的能量比地球上的閃電強了1,000倍。此外,科學家也相信這場風暴是曾經見過的最強烈的一種。

在2006年3月10日, NASA宣布經由卡西尼號的影像發現,在土衛二上的間歇泉噴發出的物質中含有液態水的證據,影像也顯示在冰冷的噴泉中有高聳的羽狀物散發出的液體顯示出有水的顆粒。依據加州理工學院安德魯英格索爾博士的解釋:"太陽系其他的衛星有被數公里厚的冰凍外殼覆蓋著的液態水海洋,這與此處在地表之下數米,不超過10米的口袋中有液態水,不知會有什麼不同。

在2006年9月20日,卡西尼號的影像揭露了一個之前未曾發現過的行星環,在較明亮的主要土星環帶之外和G與E環之內。明顯的,這個環的來源是土星的兩顆衛星像隕石一樣碰撞的結果。

在2006年7月,卡西尼號首度證明在土衛六的北極附近有碳氫化合物的湖,並在2007年1月獲得證實。在2007年3月,另外的影像發現在土衛六的北極附近有碳氫化合物的"海洋",最大的一個幾乎有裏海那麼大。在2006年10月,太空船在土星的南極偵測到一個直徑5,000 公里並有眼牆的颶風。

在2006年當中,太空船發現並證實了四顆新的衛星。

8 土星 -觀測時機

土星土星光環和陰影

土星是肉眼可見的五顆行星中距離最遠的一顆,其他四顆是水星、金星、火星和木星(天王星和灶神星在黑暗的環境下也能用肉眼看見),並且直到1781年發現天王星之前,是早期的天文學家所知道的最後一顆行星。以肉眼在夜晚看見的土星是一顆明亮的,發出淡黃色光芒的光點,光度通常在+1至0等之間,以29½年的周期在黃道上以黃道帶的眾星作為背景,繞行天球一周。多數人藉助於光學儀器(大的雙筒鏡或望遠鏡)的協助,以20倍以上的倍數,就能清楚的看見土星環。

土星是外行星,在合日(視覺上接近太陽)前後兩個月以外,其他時間也適合觀測。而跟外行星的性質一樣,當沖日時是觀測土星最好時候,因為土星沖日時,土星最亮(約0等)之餘,視直徑(角直徑)也最大,而且沖日前後,整夜可見。

在它出現在天空中可以觀賞的大部分時間,都是值得鼓勵大家觀賞的目標。在接近沖(行星的位置在離日度180°之處,也就是在天空中與太陽相對的方向上)的前後時段是觀賞土星和土星環的最佳時段。土星在2002年12月17日沖的時候,因為土星環以最有利的角度朝向地球,因此有最大的亮度。

土星是外行星,在合日(視覺上接近太陽)前後兩個月以外,其他時間也適合觀測。而跟外行星的性質一樣,當沖日時是觀測土星最好時候,因為土星沖日時,土星最亮(約0等)之餘,視直徑(角直徑)也最大,而且沖日前後,整夜可見。

通過三吋口徑(物鏡直徑)或以上的望遠鏡,以目鏡放大80倍以上便能透過它清楚看見土星及土星環,在大氣穩定時(放大100倍以上)還能看到卡西尼環縫。2007年2月11日,土星沖日,亮度-0.2等,那時土星在獅子座,視直徑20.27"。

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