土星环正在消失 为什么会消失？

美国国家航空航天局的最新研究证实：土星正在以旅行者1号和2号几十年前观测到的最大速度失去它标志性光环。在土星磁场的作用下，土星环被引力拉进土星，形成了由冰粒子组成的尘土雨。位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心詹姆斯·多诺霍说：我们估计，这些‘环形雨’在半小时内就会从土星环排出大量的水，这些水可以填满一个奥林匹克大小的游泳池。仅从这一点来看，整个土星环系统将在3亿年之后消失，除此之外，卡西尼探测器测量到的土星环物质被探测到落入土星赤道，而土星环的寿命还不到1亿年。这是相对较短的，相比之下，土星的年龄超过40亿年。

科学家们长期以来一直想知道土星是否与光环一起形成，或者这颗行星是否在生命后期获得了光环。新的研究倾向于后一种情况，表明它们的年龄不太可能超过1亿年，因为假设c环的密度曾经和b环一样大，那么c环要变成今天的样子需要那么长的时间。我们很幸运能够看到土星环系统，它似乎正处于生命的中期。然而，如果环是暂时的，也许我们只是错过了木星、天王星和海王星的巨大环系统，它们今天只有薄环!关于这枚戒指的起源，人们提出了各种各样的理论。如果这颗行星在生命后期得到了它们，这些光环可能是土星轨道上的小冰卫星相撞时形成，这或许是因为它们的轨道被路过的小行星或彗星引力牵引而发生了扰动。

土星在未来一亿年内样子的印象图，最里面的环消失了，因为它们首先落到行星上，非常缓慢地，然后是外圈，图片：NASA/Cassini/James O'Donoghue

环雨存在的第一个迹象来自旅行者号对看似无关现象的观察：土星带电上层大气(电离层)的特殊变化，土星环的密度变化，以及在中纬度北部环绕着这颗行星的三个狭窄的暗带。这些暗带出现在1981年美国宇航局旅行者2号任务拍摄的土星朦胧的上层大气(平流层)图像中。1986年美国宇航局戈达德的杰克·康纳尼在《地球物理研究快报》上发表了一篇论文，将这些狭窄的暗带与土星巨大磁场的形状联系在一起。他提出，土星环上带电冰粒子正沿着看不见的磁场线往下流，将水倾泻到土星的上层大气中，这些线就是从土星上露出来的。在特定纬度出现的水从环中流入，冲走了平流层的薄雾，使其在反射光中呈现出黑色，产生旅行者号图像中捕捉到的狭窄暗带。

土星环大部分是大块的水冰，大小从微小的尘埃颗粒到几码(米)宽的巨石不等。土星的引力想把环粒子拉回行星，而轨道速度想把环粒子抛向太空。微小的粒子可以通过太阳的紫外线或环上的微流星体轰击所产生的等离子体云来带电。当这种情况发生时，这些粒子可以感觉到土星磁场的拉力，磁场在土星环处向行星内弯曲。在土星环的某些部分，一旦带电，这些微小粒子上的力平衡就会发生巨大变化，而土星的引力会把它们沿着磁场线拉进上层大气。一旦到达那里，冰环粒子就会汽化，水就会与土星的电离层发生化学反应。这些反应的一个结果是被称为H3+离子的带电粒子寿命的延长，H3+离子由3个质子和2个电子组成。

当受到阳光照射时，H3+离子在红外光中发光，这是由奥多诺霍团队使用连接在夏威夷莫纳基亚的凯克望远镜上的特殊仪器观测到。观测揭示了土星南北半球的发光带，在那里与土星环平面相交的磁场线进入了土星。他们分析了这束光，以确定土星环的降雨量及其对土星电离层影响。他们发现，降雨量与30多年前康纳尼及其同事得出的惊人高值惊人地吻合得非常好，其中南部的一个地区降雨量最大。研究小组还在南半球高纬度地区发现了一条发光带。这是土星磁场与土卫二轨道相交的地方，土卫二是一颗地质活动活跃的卫星，它正在向太空发射间歇泉状的水冰，这表明其中一些粒子也正雨点般落在土星上。

这并不完全是意外，根据旅行者号图像中另一个狭窄的暗带，确定土卫二和e环也是丰富的水源。卡西尼号于2005年首次观测到这些间歇泉，据信来自这颗小卫星冰冻表面下的液态水海洋。土卫二的地质活动和海洋使其成为最有希望寻找外星生命的地方之一。研究小组想知道土星环上的雨是如何随季节变化，随着这颗行星在其29.4年的轨道上运行，光环不同程度地暴露在太阳下。由于来自太阳的紫外线给这些冰粒充电，并使它们对土星的磁场做出反应，不同程度的阳光照射应该会改变环雨的数量。