土星:太陽系八大行星之一-中文百科頻道

構造

内部構造

雖然隻有少量的直接資料，但土星的内部結構仍被認為與木星相似，即有一個被氫和氦包圍着的小核心。岩石核心的構成與地球相似但密度更高。在核心之上，有更厚的液體金屬氫層，然後是數層的液态氫和氦層，在最外層是厚達1,000公裡的大氣層，也存在着各種型态冰的蹤迹。估計核心區域的質量大約是地球質量的9-22倍。土星有非常熱的内部，核心的溫度高達11700℃，并且輻射至太空中的能量是它接受來自太陽的能量的2.5倍。大部分能量是由緩慢的重力壓縮（克赫曆程）産生，但這還不能充分解釋土星的熱能制造過程。額外的熱能可能由另一種機制産生：在土星内部深處，液态氦的液滴如雨般穿過較輕的氫，在此過程中不斷地通過空氣旋轉而産生熱能量。

大氣層

土星外圍的大氣層包括96.3%的氫和3.25%的氦，可以偵測到的氣體還有氨、乙炔、乙烷、磷化氫和甲烷。上層的雲由氨的冰晶組成，較低層的雲則由硫化氫铵（NH₄SH）或水組成。相對于太陽所含有的豐富的氦，土星大氣層中氦的豐盈度明顯低得多。

對于比氦重的元素的含量，如今所知不甚精确；但如果假設與太陽系形成時的原始豐盈度是相當的，則可估算出這些元素的總質量是地球質量的19-31倍，而且大部分都存在于土星的核心區域。

雲層

土星的上層大氣與木星相似（在相同定義的前提下），同樣都有着一些條紋；但土星的條紋比較幽暗，并且赤道附近的條紋也比較寬。從底部延展至大約10公裡高處，是由水冰構成的層次，溫度大約是-23℃。在這之後是硫化氫氨冰的層次，延伸出另外的50公裡，溫度大約在-93℃，在這之上是80公裡的氨冰雲，溫度大約是-153℃。接近頂部，在雲層之上200-270千米是可以看見的雲層頂端，由數層氫和氦構成的大氣層。土星的風速是太陽系中最高的，航海家計劃的數據顯示土星的東風最高可達500m/s（1,800公裡/時）。直到航海家探測器飛越土星，比較纖細的條紋才被觀測到。然而從那之後，地基望遠鏡也被改善到在通常情況下都能夠觀察到土星的這些細紋。

土星的大氣層通常都很平靜，偶爾會出現一些持續較長時間的長圓形特征，以及其他在木星上常常出現的特征。1990年，哈勃太空望遠鏡在土星的赤道附近觀察到一朵極大的白雲，是在航海家與土星遭遇時未曾看見的，在1994年又觀察到另一朵較小的白雲風暴。1990年的白雲是大白斑的一個例子，這是在每一個土星年（大約30個地球年），當土星北半球夏至的時候所發生的獨特但短期的現象。之前的大白斑分别出現在1876、1903、1933和1960年，并且以1933年的最為著名。如果這個周期能夠持續，下一場大風暴将在大約2020年發生。

來自卡西尼号太空船的最新圖像顯示，土星的北半球呈現與天王星相似的明亮藍色（見下圖）。這種藍色非常可能是由瑞利散射造成的，但因為當時土星環遮蔽住了北半球，因此從地球上無法看見這種藍色。

土星風暴

旅行者1号的影像中最先被注意到的是一個長期出現在78°N附近，圍繞着北極的六邊形漩渦。不同于北極，哈勃太空望遠鏡所拍攝到的南極區影像有明顯的“噴射氣流”，但沒有強烈的極區漩渦，也沒有“六邊形的駐波”。但是，NASA報告卡西尼号在2006年11月觀測到一個位于南極像飓風的風暴，有着清晰的眼壁。這是很值得注意的觀測報告，因為在過去除了地球之外，沒有在任何的行星上觀測到眼壁雲（包括伽利略号太空船在木星的大紅斑上都未能發現眼壁雲）。

在北極的六邊形中每一邊的直線長度大約是13800公裡，整個結構以10h39m24s自轉，與行星的無線電波輻射周期一樣，這也被認為是土星内部的自轉周期。這個六邊形結構像大氣層中可見的其他雲彩一樣，在經度上沒有移動。

這個現象的規律性的起源仍在猜測之中，多數的天文學家認為是在大氣層中某種形式的駐波，但是六邊形也許是一種新型态的極光。在實驗室的流體轉動桶内已經模拟出了多邊型結構。

從六角風暴辨土星一天的時長

土星北極點的上方存在着和木星表面的大紅斑一樣令人着迷的景象——因為一個特殊的急流而持續存在的六角形風暴。土星上一天的時間很短暫，2013，行星科學家認為，六角形風暴的循環能基本準确地反映出土星一天的時長：10小時39分23秒。與其他的氣體巨星一樣，土星缺少堅實的地表，因此科學家無法利用其地表測量它的自轉周期。此外，土星表層大氣在赤道附近的運動速度也比其在極點附近的運動速度快。

許多行星科學家利用磁場釋放出的無線電推算天體的自轉周期，因為科學家假設這些無線電是從星球的深層内部釋放出來的，那裡的自轉周期更加穩定。然而，對于土星而言，這種推測方法遇到了阻礙：從土星南北半球釋放出的無線電有15分鐘左右的時間差。

相對而言，六角形風暴的循環更加穩定，因此可以作為推斷自轉周期的一個關鍵因素。研究者将卡西尼号土星探測器拍攝到的時間跨度為5年半的圖像結合在一起加以分析，發現六角形風暴的循環周期幾乎不會發生變化。這一發現暗示：可蔓延數百公裡的六角形風暴與星球的内部關系密切，因此它是土星真實自轉速度的一個有效标示。

磁層

主條目：土星磁層

土星有一個簡單的具有對稱形狀的内在磁場——一個磁偶極子。磁場在赤道的強度為0.2高斯（20µT），大約是木星磁場的20分之一，比地球的磁場微弱一點；由于強度遠比木星的微弱，因此土星的磁層僅延伸至土衛六軌道之外。磁層産生的原因很有可能與木星相似——由金屬氫層（被稱為“金屬氫發電機”）中的電流引起。與其他的行星一樣，土星磁層會受到來自太陽的太陽風内的帶電微粒影響而産生偏轉。衛星土衛六的軌道位于土星磁層的外圍，并且土衛六的大氣層外層中的帶電粒子提供了等離子體。

地貌環境

土星表面也有沿赤道伸展的條紋帶，表面被雲層覆蓋。

通過天文望遠鏡，我們可以看到土星表面也有一些明暗交替的帶紋平行于它的赤道面，帶紋有時也會出現亮斑、暗斑或白斑。白斑的出現不很穩定，最著名的白斑于1933年8月被英國天文愛好者W·T·海用小型天文望遠鏡發現此白斑位于土星赤道區，蛋形，長度達土星直徑的1/5。以後這塊白斑逐漸擴大，幾乎蔓延到土星的整個赤道帶。

土星極地附近呈綠色，是整個表面最暗的區域。根據紅外觀測得知雲頂溫度為-170℃，比木星低50℃。土星表面的溫度約為-140℃。

由于這顆行星表面溫度較低而逃逸速度又大（35.6公裡/秒），使土星保留着幾十億年前它形成時所擁有的全部氫和氦。因此，科學家認為，研究土星的成分就等于研究太陽系形成初期的原始成分，這對于了解太陽内部活動及其演化有很大幫助。一般認為土星的化學組成像木星，不過氫的含量較少。土星上甲烷含量比木星多，氨的含量則比木星少。

結構組成

雖然沒有土星内部結構直接的信息，但人們還是認為它的内部結構類似木星，有一個小岩石的核心主要由氫和氦包圍着該岩石的核心成分類似地球，但密度稍微大一點。在它的外面有一個較厚的液态金屬層其次是一層液體氫和氦，而在最外層是1000公裡的大氣。

現代認為，土星形成時，起先是土物質和冰物質吸積，繼之是氣體積聚因此土星有一個直徑2萬公裡的岩石核心。這個核占土星質量的10%到20%，核外包圍着5,000公裡厚的冰殼，再外面是8,000公裡厚的金屬氫層金屬氫之外是一個廣延的分子氫層。

1969年，一架飛機在地球大氣高層對土星的熱輻射作了紅外觀測，發現土星和木星一樣，它輻射出的能量是它從太陽接收到的能量的兩倍。這表明土星和木星一樣有内在能源。後來“先驅者”11号的紅外探測證實了這一點，測得土星發出的能量是從太陽吸收到的2.5倍。

大氣層

土星大氣以氫、氦為主，并含有甲烷和其他氣體，大氣中飄浮着由稠密的氨晶體組成的雲。從望遠鏡中看去這些雲像木星的雲一樣形成相互平行的條紋，但不如木星雲帶那樣鮮豔，隻是比木星雲帶規則得多，土星雲帶以金黃色為主，其餘是橘黃、淡黃等。土星的表面同木星一樣，也是流體。它赤道附近的氣流與自轉方向相同速度可達每秒500米，比木星風力要大得多。在土星北極有一個形狀是正六邊形的巨大風暴，跨度15000英裡，差不多能裝下4個地球，是土星上和木星大紅斑類似的長時間維持的大型風暴圈。

土星環

1610年，意大利天文學家伽利略觀測到在土星的球狀本體旁有奇怪的附屬物。1659年，荷蘭學者惠更斯證實這是離開本體的光環。1675年意大利天文學家卡西尼，發現土星光環中間有一條暗縫（後稱卡西尼環縫），他還猜測光環是由無數小顆粒構成。兩個多世紀後的分光觀測證實了他的猜測，但在這二百年間，土星環通常被看做是一個或幾個扁平的固體物質盤。直到1856年，英國物理學家麥克斯韋從理論上論證了土星環是無數個小衛星在土星赤道面上繞土星旋轉的物質系統。

土星環位于土星的赤道面上。在空間探測前，從地面觀測得知土星環有五個，其中包括三個主環（A環、B環、C環）和兩個暗環（D環、E環）。B環寬又亮，它的内側是C環，外側是A環。A、B兩環之間為寬約4800公裡的卡西尼縫，是天文學家卡西尼在1675年發現的，産生環縫的原因是因為光環中有衛星運行，衛星的引力造成的。B環的内半徑91,500公裡，外半徑116,500公裡，寬度25,000公裡，可以并排安放兩個地球。A環的内半徑121,500公裡，外半徑137,000公裡，寬度15,500公裡。C環很暗，它從B環的内邊緣一直延伸到離土星表面隻有12,000公裡處，寬度約19,000公裡。1969年在C環内側發現了更暗的D環，它幾乎觸及土星表面。在A環外側還有一個E環，由非常稀疏的物質碎片構成，延伸在五、六個土星半徑以外。1979年9月“先驅者”11号探測到兩個新環──F環和G環。F環很窄，寬度不到800公裡離土星中心的距離為2.33個土星半徑，正好在A環的外側。G環離土星很遠展布在離土星中心大約10～15個土星半徑間的廣闊地帶。“先驅者”11号還測定了A環、B環、C環和卡西尼縫的位置、寬度，其結果同地面觀測相差不大“先驅者”11号的紫外輝光觀測發現，在土星的可見環周圍有巨大的氫雲環本身是氫雲的源。

除了A環、B環、C環以外的其他環都很暗弱。土星的赤道面與軌道面的傾角較大，從地球上看，土星呈現出南北方向的擺動，這就造成了土星環形狀的周期變化。仔細觀測發現，土星環内除卡西尼縫以外，還有若幹條縫，它們是質點密度較小的區域，但大多不完整且具有暫時性。隻有A環中的恩克縫為永久性，不過，環縫也不完整。科學家認為這些環縫都是土星衛星的引力共振造成的，猶如木星的巨大引力攝動造成小行星帶中的柯克伍德縫一樣。“先驅者”11号在A環與F環之間發現一個新的環縫，稱為“先驅者縫”，還測得恩克縫寬度為392公裡。由觀測闡明土星環的本質要歸功于美國天文學家基勒，他在1895年從土星環的反射光的多普勒頻移發現土星環不是固體盤，而是以獨立軌道繞土星旋轉的大群質點。土星環掩星并沒有把被掩的星光完全擋住，這也說明土星環是由分離質點構成的。1972年從土星環反射的雷達回波得知環的質點是直徑介于4到30厘米之間的冰塊。

探測器傳回的土星照片讓科學家非常吃驚，在近處所看到的土星環，竟然是一大片碎石塊和冰塊，使人眼花缭亂。它們的直徑從幾厘米到幾十厘米不等，隻有少量的超過1米或者更大，土星周圍的環平面内有數百條到數千條大小不等，形狀各異的環。大部分環是對稱地繞土星轉的，也有不對稱的有完整的、比較完整的、殘缺不全的。環的形狀有鋸齒形的，也有輻射狀的。令科學家迷惑不解的是，有的環好像是由幾股細繩松散的搓成的粗繩一樣，或者說像姑娘們的發辮那樣相互扭結在一起。輻射狀的環更是令科學家大開了眼界而又傷透了腦筋，組成環的物質就象車輪那樣，步調整齊的繞着土星轉這樣豈不要求那些離的越遠的碎石塊和冰塊運動的速度越快嗎？這顯然違背了已經掌握的物質運動定律。那麼，這是一個什麼樣的規律在起作用呢？這一切仍在探索中。

美國航空航天局(NASA)的科學家于2009年10月8日發現土星周圍存在一個“隐形”的巨大光環(如圖)，這個光環可以容納10億個地球。NASA噴氣推進實驗室稱，該光環平面與土星主光環面成27度傾角，該光環内側距離土星約595萬公裡，寬度約1190萬公裡它的直徑相當于300倍土星的直徑。可容納大約10億個地球。光環由冰和塵埃微粒組成，它們之間的距離如此之大，即使你站在光環上也看不清楚，另外土星照射到的太陽光線很少，光環反射出的可見光更少，令它難以被發現組成光環的塵埃溫度很低，僅有-193℃，但卻散發出熱輻射。NASA斯皮策太空望遠鏡正是捕捉到這些熱輻射，才發現了這個巨大的光環。

土星衛星“菲比”的軌道穿越該光環。科學家們認為，光環内的冰和塵埃來自于菲比與彗星的碰撞。光環的發現可能有助于解釋關于土星另一衛星土衛八的一個古老而神秘的問題。天文學家卡西尼1671年首次發現土衛八，稱這個星球一面黑一面白，就像太極符号一樣。新發現的光環旋轉軌道與土衛八相反。科學家們推測，光環内的塵埃飛濺到土衛八表面上，形成了黑色區域。“長久以來，航天學者一直認為菲比與土衛八表面之上的黑色物質之間存在某種聯系，新發現的光環為此提供了令人信服的證據。”新光環的發現者之一、馬裡蘭大學專家道格拉斯·漢密爾頓說。

土星以平均每秒9.64公裡的速度斜着身子繞太陽公轉，其軌道半徑約為14億公裡，公轉速度較慢，繞太陽一周需29.5年，可是它的自轉速度很快，赤道上的自轉周期是10小時14分鐘。

星體運動

公轉

土星和其他行星一樣，也圍繞太陽在橢圓軌道上運動。土星繞太陽公轉的軌道半徑約為9.54天文距離單位（約14億公裡）軌道的偏心率為0.056，軌道面與黃道面交角為2°5′，繞太陽公轉一周約29.5年，公轉平均速度約為9.6公裡/秒。

土星同太陽的距離在近日點時和在遠日點時相差約1.5億公裡。

土星也有四季，隻是每一季的時間要長達7年多，因為離太陽遙遠，夏季也是極其寒冷的。

自轉

土星的自轉很快，僅次于木星，其自轉角速度随緯度而不同，在赤道上自轉周期為10小時14分，在緯度60°處為10小時40分。由于快速自轉，使得它的形狀變扁，是太陽系行星中形狀最扁的一個。

2019年1月，科學家基于美國宇航局卡西尼号探測器在2017年9月被摧毀之前收集到的數據，研究出土星自轉的時長：10小時33分38秒。

星體衛星

土星的光環由無數個小塊物體組成，它們在土星赤道面上繞土星旋轉。土星還是太陽系中衛星數目僅次于木星的一顆行星，周圍有許多大大小小的衛星緊緊圍繞着它旋轉，就象一個小家族。近幾年随着觀測技術的不斷提高大行星衛星的數量急劇攀升，現已發現的土星衛星已是62顆。土星衛星的形态各種各樣，五花八門使天文學家們對它們産生了極大的興趣。最著名的“土衛六”上有大氣，是太陽系已知的有大氣衛星中的一員。

土星有一個顯著的環系統，主要的成分是冰的微粒和較少數的岩石殘骸以及塵土已經确認的土星的衛星有62顆，其中9個是1900年以前發現的。其中，土衛六是土星系統中最大和太陽系中第二大的衛星（半徑2575KM）（太陽系最大的衛星是木星的木衛三半徑2634KM），比行星中的水星還要大；并且土衛六是唯一擁有明顯大氣層的衛星土衛一到土衛十按距離土星由近到遠排列為：土衛十、土衛一、土衛二、土衛三、土衛四、土衛五、土衛六、土衛七、土衛八、土衛九。土衛十離土星的距離隻有159,500公裡，僅為土星赤道半徑的2.66倍，已接近洛希極限。這些衛星在土星赤道平面附近以近圓軌道繞土星轉動。

土星有衆多的衛星。精确的數量尚不能确定，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，已經确認的衛星有62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确認。許多衛星都非常的小：34顆的直徑小于10公裡，另外13顆的直徑小于50公裡，隻有7顆有足夠的質量能夠以自身的重力達到流體靜力平衡。

1980年，當旅行者号探測器飛過土星時，在原有的九顆衛星（土衛一、土衛二、土衛三、土衛四、土衛五、土衛六、土衛七、土衛八和土衛九）基礎上，又發現了八顆新的衛星。但是很難說土星究竟有多少衛星。一些組成土星光環的較大的粒子實際上也許就是小衛星。土星在太陽系中擁有的衛星最多。跟木星衛星不一樣，土星衛星不能簡單地以成分和密度歸類劃分。"旅行者号"所發現的衛星顯示出複雜多樣的特征。

除土衛六外，天文學家從“旅行者号”飛船發回的資料發現，土星的其他衛星都比較小，在寒冷的表面上都有隕擊的疤痕，像破碎了的蛋殼。土衛一表面上有一個直徑達128公裡的隕石坑；土衛二有着荒涼的平原、隕石坑和斷皺的山脊，它的不同區域代表着不同的曆史時期；土衛三上有一個又深又寬，長約800公裡的裂谷；土衛四表面有稀疏而明亮的條紋，它們都環繞着隕石坑。

土衛六

1655年3月25日，荷蘭天文學家惠更斯在用自制的3.7米長折射望遠鏡觀測土星時，無意中發現了一顆土星的衛星這顆衛星被命名為泰坦(英文音譯或譯：提坦)。它就是最受天文學家矚目的土衛六，是被人類發現的第一顆土星衛星。

土星的衛星中，土衛六是天文學家關注的天體之一。長期以來，土衛六一直被認為是衛星中體積最大的，也是太陽系中唯一擁有大氣的衛星，其大氣成分主要是甲烷；過去認為它的表面溫度也不很低，因而人們推測在它上面可能存在生命。“旅行者1号”發回的數據卻令人失望，它發現土衛六的直徑隻有5150Km，并不是太陽系中最大的衛星（木衛三的直徑最大，有5262Km），它有一層稠密的大氣層和一個液态的表面，其大氣層至少有400公裡厚，甲烷成分不到1%，大氣的主要成份是氮，占98%，還有少量的乙烷、乙烯及乙炔等氣體。土衛六的表面溫度在-181℃到-208℃之間，液态表面下有一個冰幔和一個岩石核心。飛船未發現存在任何生命的痕迹。土衛六能向外發射電波，使人感到迷惑。此外，土衛六軌道附近有一個氫雲。

長期以來，土衛六一直被認為是太陽系衛星中體積最大、超過水星的衛星之王。旅行者号探測器的一次近距離測量，在35萬千米處拍下5張高分辨率的照片。照片上土衛六展現出美麗的桔紅色的星體，像一個熟透了的桔子。更重要的是收到的數據資料，改寫了土衛六原來5800千米的直徑，實際直徑應為5150千米，迫不得已地把“衛星之王”的桂冠轉讓給了木星的衛星木衛三，屈居第二。這并沒有影響它的地位，科學家們一直對土衛六很感興趣，原因在于它是衛星中唯一有大氣存在的天體。大氣的主要成分是氮，約占98%，甲烷占1%，其餘的碳氫化合物在大氣中所占比例非常小，大氣層厚度約為2700千米。土衛六的表面溫度很低，在-190℃～-210℃之間，使之形成了美麗的液氮海洋。

雖然我們看不到土衛六的表面，但旅行者号探測器為我們提供的資料顯示：土衛六是太陽系中的又一個奇異世界，黑暗寒冷的表面，液氮的海洋，暗紅的天空，偶爾灑下幾點夾雜着碳氫化合物的氮雨等。這些是人類了解生命起源和各種化學反應的理想之處。

從惠更斯發現土衛六以來，至今已有300多年的曆史，土衛六仍是一個待解之謎。要想對土衛六有更深刻的認識，還需要人類不斷地進行探索。

天文學家們為什麼特别看重土衛六呢？因為土衛六“天資”出衆，所以受到天文學家們的青睐和器重。土衛六與衆不同的“天資”表現在如下方面：

首先，土衛六的直徑約為5150公裡，在衛星世界中居第二位，比冥王星大許多，跟水星的個頭兒差不多。它的質量是月球質量的1.8倍，平均密度為每立方厘米1.9克，約為地球密度的1/3，引力則為地球的14%。

土衛六與土星的平均距離為122萬公裡，沿着近乎正圓形的軌道繞土星運動。它像月球一樣，總以同一面向着自己的行星——土星。也就是說，如果在土星上看土衛六的話，永遠隻能看到土衛六的同一個半面。它的軌道基本上在土星赤道面内。你可以想一想，土衛六這麼大的天體，沿着大約122萬公裡的半徑，居然運動在近乎正圓的軌道上，這真是有點難以想象的事。如果讓我們專門畫這樣一個圓，恐怕也是不容易辦到的。足見天體演化中的自然奇觀。

第二，1944年，美籍荷蘭天文學家柯伊伯對土衛六進行了系統的分光觀測研究，發現土衛六上有甲烷氣體，從而确認土衛六上有濃密的大氣層。至今土衛六仍是太陽系内已知的100多顆衛星中唯一有大氣的衛星，這怎能不受到天文學家們的特别偏愛呢？

第三，根據土衛六的運動特征、物理狀況和化學成分，天文學家們判定土衛六是和土星一起演化形成的，屬于穩定衛星，不可能是土星後來捕獲的小天體。一些天文學家曾一度将土衛六的質量、體積、表面重力、表面溫度、大氣成分、水和冰的含量、自轉和公轉等天體特征和天體環境與地球進行比較，目的是想從中獲取有關早期生命物質演化的蛛絲馬迹。

其他天體上有沒有生命的繁衍？這個問題一直萦繞在天文學家們的腦際。土衛六的發現者惠更斯在《天體奇觀，關于其他行星上的居民、植物及其世界的猜想》一書中寫道：如果我們認為這些天體上除了無邊無際的荒涼之外，一無所有……

甚至進一步認為那裡根本不可能存在高級生物，那麼我們無異就貶低了它們，而這是非常不合情理的。誠然，判斷哪個天體上有沒有生命，這是一個十分嚴肅的科學問題。從現代的科技水平來看，恐怕過于樂觀是不現實的，然而過于悲觀也是沒有根據的，實踐是檢驗真理的唯一标準。至于土衛六上的生命信息，至今仍是個不容樂觀的謎，但是一定會在不斷探測的實踐中得到解決。

從地球上看去，土衛六是一顆8.4等星。憑眼睛直接看是絕對看不到的。用較好的天文望遠鏡觀測它，也隻能看到一個小小的紅點似的盤狀體。為什麼是這個顔色呢？有人認為這可能是因為土衛六上存在着複雜的有機分子。當然，完全依靠地面觀測是解決不了這類問題的，隻能是“紙上談兵”。

随着宇航事業的飛速發展，行星際探測器取得了空前的成果。截止2013年，親自探測過土衛六的行星際飛船共有三個。它們是美國發射的“先驅者11号”和“旅行者1号”，以及歐洲的“惠更斯号”。

1979年9月1日，“先驅者11号”飛掠土星，考察了土衛六。不過，當“先驅者11号”考察土衛六時，正趕上一陣強烈的太陽風，嚴重地影響了發回的信息。地面控制中心隻收到它在35萬公裡處拍下的5張高分辨率的照片。在照片上，土衛六呈現美麗的桔紅色，像熟透了的桔子。“旅行者1号”于1980年11月11日飛臨土衛六，探測取得完滿的成功。就是這次，測得土衛六的直徑為4828公裡，而不是過去認為的5550公裡。

“旅行者1号”對土衛六的考察結果表明，土衛六确有濃厚的大氣層，約有2700公裡厚，比地球大氣密度還高。大氣的主要成分是氮氣，占98%，甲烷占1%，還有少量的乙烷和氫等。金星、地球和火星的大氣中也都有氮氣，但是都沒有土衛六這麼多得驚人。

“旅行者1号”還發現土衛六大氣呈霧狀。濃密的霧層使陽光不能照到土衛六的表面，影響了“旅行者1号”對土衛六表面的觀測。同時，也有的科學家根據“旅行者1号”的觀測資料，認為土衛六大氣中充滿甲烷。

為了進一步研究土衛六大氣和生命的關系，美國康奈爾大學的行星物理學家卡爾·薩根等人，做了土衛六大氣模拟實驗。研究者認為，土衛六上含有大量氮氣的大氣層，産生了各種各樣的生命前的化學物質。薩根指出：“早期的地球上可能也曾發生過類似的過程。但在土衛六上發生的生命前化學過程，因為那裡的溫度遠低于水的冰點，大概是不會有生命的。”

說到這裡，你有沒有想到：為什麼在衛星中隻有土衛六有如此豐富的大氣層呢？這一直是行星物理學家們在思索的問題。有人認為，這可能是土衛六表面溫度高到足以維持相當數量的甲烷和氨氣，以保持與其表面的冰相平衡。也可能是土衛六上的冰含有甲烷和氨，在土衛六的溫度下容易形成大氣。第三種可能是土衛六大氣不會像受木星強磁場那樣，使大氣跑掉。第四種可能是土衛六的質量大，能經受内部的分化，分化出的冰向表面集中，它的引力足以使大部分的氣體不至跑掉。

迄今隻有先驅者11号、旅行者1号和2号以及卡西尼-惠更斯号四個探測器飛臨土星進行過探測土星的活動。1979年9月1日，先驅者11号經過6年半的太空旅程，成為第一個造訪土星的探測器。它在距離土星雲頂20200千米的上空飛越，對土星進行了10天的探測，發回第一批土星照片。先驅者11号不僅發現了兩條新的土星光環和土星的第11顆衛星，而且證實土星的磁場比地球磁場強600倍。9月2日第二次穿過土星環平面，并利用土星的引力作用拐向土衛六，從而探測了這顆可能孕育有生命的星球。

1980年11月12日，旅行者1号從距離土星12600千米的地方飛過，一共發回1萬餘幅彩色照片。這次探測不僅證實了土衛十、十一、十二的存在，而且又發現了3顆新的土星小衛星。當它距離土衛六不到5000千米的地方飛過時，首次探測分析了這顆土星的最大衛星的大氣，發現土衛六的大氣中既沒有充足的水蒸氣，其表面也沒有足夠數量的液态水。

1981年8月25日，旅行者2号從距離土星雲頂10100千米的高空飛越，傳回18000多幅土星照片。探測發現，土星表面寒冷多風，北半球高緯度地帶有強大而穩定的風暴，甚至比木星上的風暴更猛。土星也有一個大紅斑，長8000千米，寬6000千米，可能是由于土星大氣中上升氣流重新落入雲層時引起擾動和旋轉而形成的。土星光環中不時也有閃電穿過，其威力超過地球上閃電的幾萬倍乃至幾十萬倍。它再次證實，土星環有7條。土星環是由直徑為幾厘米到幾米的粒子和礫石組成，内環的粒子較小，外環的粒子較大，因粒子密度不同使光環呈現不同顔色。每一條環可細分成上千條大大小小的小環，即使被認為空無一物的卡西尼縫也存在幾條小環，在高分辨率的照片中，可以見到F環有5條小環相互纏繞在一起。土星環的整體形狀類似一個巨大的密紋唱片，從土星的雲頂一直延伸到32萬千米遠的地方。旅行者2号發現了土星的13顆新衛星，使土星的衛星增至23顆。它考察了其中的9顆衛星，發現土衛三表面有一座大的環形山，直徑為400千米，底部向上隆起而呈圓頂狀，還有一條巨大的裂縫，環繞這顆衛星幾乎達3/4周；土衛八的一個半球為暗黑，另一個半球則十分明亮；土衛九的自轉周期隻有9~10小時，與它的公轉周期550天相去甚遠；土衛六的實際直徑為4828千米，而不是原來認為的5800千米，是太陽系行星中的第二大衛星，它有黑暗寒冷的表面、液氮的海洋、暗紅的天空，偶爾灑下幾點夾雜着碳氫化合物的克·查普曼這樣說道："土衛六上的甲烷可能會象地球上0℃的水。""穿過北極的淤泥地帶，可隐約見到土衛六的表面景觀……由甲烷和氨冰塊組成的岩石大多數被埋在一種粘性的油層之下。長時期内來自柏油煙霧的微小塵埃粒子不斷聚集……土衛六濃稠的液态甲烷與海洋被甲烷冰霧令人窒息的霧霭所遮擋。"極小的土衛一有一個創痕，那是太陽系中最明顯的創痕之一。一個巨大的隕石坑顯示出它曾受過一次幾乎将其一分為二的重創。重創之下的這個巨大隕石坑直徑約為整個星球的三分之一。它的表面是如此的坑坑窪窪，使得冰層被切成了片片碎塊。在它的表面上行走，宛如走在一個巨大的雪錐之上。

有一個斷層系統以及從未受過隕石沖擊的大區域。陸潮受熱可能在重建表面的過程中發揮了重大作用。這種活動似乎就發生在這個世紀，這也可以用來解釋它的表面為何光彩奪目。土衛二幾乎反射所有的光線，其冰凍的表面可能會被來自内部的水不斷覆蓋。卡西尼号探測器在探測時發現其南極有沖天的冰噴泉，為E環主要物質來源，且噴氣推進實驗室認為，土衛二很可能存在生命。

土衛八一側很亮，另一側很暗。亮的那側能将大約一半照射到的光反射出去，而另一側幾乎一片黑暗。黑色物質裡可能包含着有機碳——生命必需的組成成分之一。

土衛七看上去象是較大物體的一個碎塊。它不規則的形狀和極度坑坑窪窪的表面使它看似一個稍大的小行星。這顆衛星的碎片可能已進入了土星光環。

土衛三也是從明顯的宇宙暴力之中幸存下來的。一條巨大的溝壑從衛星的一端伸展到另一端。這個長狹谷看起來是由内部力量而引起的。它内部凝固和膨脹的壓力使其表面産生裂縫。科學家們無法解釋一個至少百分之八十由水冰組成的衛星是如何經受住這樣的地質活動的。

“旅行者号”探測器的探索結果使人們深信那曾經支配了土星早期曆史的猛力作用。土星衛星看起來象是無盡爆炸襲擊的幸存者。它們明亮的冰封表面受到了無數隕石的創傷。但是這些衛星中有一個與早期的地球非常相似。也許某一天，有着濃厚大氣層的土衛六能夠進化出頑強的生命。

在宇宙飛船探測土星之前，人們知道土星有10顆衛星。1977年發現了土衛十一，1979年“先驅者1号”飛臨土星時，探測到了第十二顆衛星。為了紀念它的功績，起名為“先驅者号”。“旅行者1号”飛船于1980年10月26日和11月10日在近距離考察土星時，又發現了5顆衛星。1981年8月25日“旅行者2号”在距土星雲層之上101000公裡處掠過，考察了土星及其光環和9個衛星。這次飛掠土星時，又發現了6顆衛星。

現已确認的土星衛星共23顆。距土星最近的是土衛十五，它與土星的距離為13.7萬公裡，僅為衛星到土星中心的2.29個土星半徑，公轉周期為0.601天，其半徑隻有15公裡；最遠的是土星九，平均距離約1293萬公裡，它距土星中心為216個土星半徑。土衛八的軌道面與土星赤道面的交角為7°52′，屬于不規則衛星。土衛九的軌道面與上星赤道面的交角為175°，逆行，軌道偏心率達0.163，也屬于不規則衛星。其餘的衛星均為規則衛星。有趣的是，土衛四和土衛十二、土衛十和土衛十一都是兩兩同一條軌道上；而土衛三、土衛十六和土衛十七則是三星同居一軌道。從飛船發回的資料看，沒有發現這些衛星上有火山活動的痕迹。

觀測曆史

地面

土星是外行星，在合日（視覺上接近太陽）前後兩個月以外，其他時間也适合觀測。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。

通過三寸口徑（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"。

說到太陽系裡的八大行星，大多數人的腦海裡，第一個浮現的行星或許就是土星了。無可否認，土星是八大行星裡唯一有明顯光環的行星，使用一般的天文望遠鏡就能輕易看見了，其他行星的光環，猶如小巫見大巫，相比土星光環那樣不起眼。

新華網南京１月１１日電（記者蔡玉高）１４日，夜空最美麗的星球之一、被譽為“指環王”的土星沖日。中科院南京紫金山天文台研究員王思潮指出，今年沖日後的一個月内将是此後２０多年中觀賞土星的最佳時機，屆時，公衆更可一睹其神秘光環。

就像璀璨奪目的黃白色寶石，還環繞着一層層絢麗的迷人光環，土星實在是夜空中最令人歎為觀止的美麗星球。土星沖日時，土星、地球和太陽大體呈一條直線。１４日沖日開始後的一個月内，天一黑，熠熠生輝的土星便出現在東方夜空中（位于雙子星座内），４小時後，它就升到天頂附近的高空，幾乎整夜可見。

王思潮說，值得注意的是，雖然土星沖日每３７８天就出現一次，但最近幾年，尤其今年的沖日卻分外妖娆。因為土星那美麗的光環正像孔雀開屏似的向着地球張開，而且對于我們北半球的公衆來說，此時土星的仰角升得相當高。過了今年後，土星光環就會逐漸收縮，難以看到；再加上土星的仰角也會越來越低，因此，對于我國多數公衆來說，今年過後很長一段時間内，即使沖日，土星會時常湮沒在南面的夜空中，顯得霧蒙蒙的，其光環更是難以看清。一直要等到２０多年後，土星才能像今年沖日一樣豐采照人。

半年前，舉世矚目的美國“卡西尼”号宇宙飛船經過７年３５億公裡的長途跋涉後，到達土星，現正進行為期４年環繞土星的科學探測，以期揭開圖形光環等土星世界的科學之謎。如今又逢這位“指環王”一展風采的沖日前後，正是天上、人間共閱土星。

池谷－張彗星發現者、我國天文愛好者張大慶指出，對天文愛好者來說，要想清晰觀賞神秘的土星光環，最好要有１０厘米以上口徑的高質量天文望遠鏡，并配有赤道儀自動跟蹤裝置，放大倍數在１００倍－２００倍為宜。如用普通的雙筒望遠鏡觀看的話，則很難看到光環。

當我們對土星環作長期觀測記錄後，我們會發現土星環的呈現形式每年都在改變，從增開最大，然後變成一條直線，然後又再次的增開……當土星環縮扁成一條直線時，土星環就像消失了那樣。由此，我們可以想象，土星環是多麼的薄薄一片環啊。

土星公轉太陽一周需時29.5年，若要集合土星環一周完整的變化，我們就需要對之作長達30年的觀測，但其實如果隻是要收集土星環從最大增開到扁平一線，我們隻需要花7.5年的時間而已。

古代

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，并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，從這顆行星所采用的名字，它是農業和收獲的神祇。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曆（Navagraha，梵文：नवग्रह），土星是其中之一稱為“Sani”或“Shani”，法官在衆行星之中，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，是在傳統上用于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于身心的；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زحل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，直到克裡斯蒂安·惠更斯使用倍數更高的望遠鏡才看清楚并認為是環。惠更斯也發現了土星的衛星土衛六。不久之後，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着共振，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着土星公轉在20世紀初期，對土衛六的研究在1944年确認他有濃厚的大氣層這是在太陽系的衛星中很獨特的特征。

現代

先驅者号

為了探測太陽系外圍空間的物理情況，1973年4月“先驅者11号”上天，1979年9月1日飛臨土星，成為第一個就近探測土星的人造天體。

“先驅者”11号發現土星有一個由電離氫構成的廣延電離層，其高層溫度約為977℃。觀測結果表明，土星極區有極光。

“先驅者11号”飛船于1979年8月、9月在距土星128萬公裡處發現，土星磁場十分特殊，磁場圖很像一條大鲸魚，其頭部圓鈍，兩邊伸出扁形翅，還有粗壯的尾巴。土星磁場的磁軸與其自轉軸吻合，磁心偏離土星核心22.5公裡。磁場範圍比地球的磁場範圍大上千倍，但比木星磁場小，也沒有木星磁場複雜。

旅行者号

“旅行者”1号、2号在考察完木星後，繼續駛向土星，對土星進行考察。完成考察土星的任務後，“旅行者2号”又繼續飛向天王星和海王星，對它們進行考察。這些“一身多任”的宇宙飛船，為我們帶來了土星的新消息。

美國國立光學天文台的科學家們在研究“旅行者”2号發回的土星照片時，發現了一個奇怪的現象：在土星的北極上空有個六角形的雲團。這個雲團以北極點為中心，并按照土星自轉的速度旋轉。土星北極的六角形雲團并不是“旅行者”2号直接拍到，因為“旅行者”2号并沒有直接飛越土星北極上空。但它在土星周圍繞行時，從各個角度拍下了土星照片。天文學家們把那些照片合成以後，才看清了土星北極上空的全貌，也才發現了那個六角形雲團。土星北極上空六角形雲團的出現，促使科學家們不得不重新認識土星，NASA推測其成因與土星的氣候有關。

卡西尼号

卡西尼号（Cassini）是卡西尼—惠更斯号的一個組成部分。卡西尼—惠更斯号是美國國家航空航天局、歐洲航天局和意大利航天局的一個合作項目，主要任務是對土星系進行空間探測。卡西尼号探測器以意大利出生的法國天文學家卡西尼的名字命名，其任務是環繞土星飛行，對土星及其大氣、光環、衛星和磁場進行深入考察。

“卡西尼号”太空探測器在經過6年8個月、35億千米的漫長太空旅行之後，已于北京時間2004年7月1日12時12分按計劃順利進入環繞土星轉動的軌道，開始對土星大氣、光環和衛星進行曆時4年的科學考察。

“卡西尼号”在環繞土星運行的4年中，将近距離地縱覽土星全貌，對土星和它衆多的衛星進行全面考察。

“卡西尼号”從2004年1月起，就開始拍攝土星家族全面、完整的照片和電影。“卡西尼号”攜帶的照相機，比哈勃太空望遠鏡上的同類照相機性能更好。

在臨近入軌之前，2004年6月11日，它對土衛九進行了探測，拍攝了這顆衛星極其清晰的照片。土衛九是土星距離最遠的一顆衛星，半徑110千米，科學家猜想它是被土星俘獲的一顆小行星。“卡西尼号”在離開它2000千米處經過對它的質量和密度進行了測量。

2005年2月17日，“卡西尼号”将在離開土衛二1179千米處經過，而同年3月9日，距離更近到499千米。土衛二半徑250千米表面非常明亮，幾乎能反射百分之百的陽光。科學家懷疑它的表面是光滑的冰層，“卡西尼号”将探測它的磁場以判斷它的表層下面是否有含鹽分的水存在。

2005年4～9月，“卡西尼号”的軌道将從土星赤道面改變到與這一平面成22度夾角，居高臨下對土星光環和大氣進行測量，進一步探測光環結構、組成光環的物質粒子和土星大氣物理特性。

2005年9～11月，“卡西尼号”将逐個接近土衛四、土衛五、土衛七和土衛三，分别對它們進行觀測。土衛四半徑560千米土衛五半徑870千米，它們的外表很像我們的月亮，密布環形山。土衛七位于土衛六與土衛八之間形狀不規則最長處直徑175千米，很像一顆小行星。土衛三半徑530千米，密度和水一樣，很可能是一個冰球。

2006年7月到2007年7月，“卡西尼号”将系統地監視和拍攝土星、土星光環、土星磁層的圖像。2007年7～9月它将再次拍攝土星及其家族的電影，并在9月10日到離開土衛八約1000千米處對土衛八進行觀測。土衛八半徑為720千米其表面一面顔色很暗，另一面卻接近白色，很為奇特。

2007年10月到2008年7月，“卡西尼号”将逐步地進一步增大軌道與土星赤道平面的夾角，最後達到75.6度這樣“卡西尼号”就能更好地觀測土星的光環，測量遠離土星赤道平面處的磁場和粒子、監視土星的兩極地區和觀測土星極光現象。其間，在2007年12月3日和2008年3月12日，它将兩次接近土衛十一，分别在離開土衛十一6190千米和995千米處對這顆衛星進行觀測。

2017年9月15日，已經在太空工作20年的卡西尼号探測器在受控情況下，于土星大氣層中墜毀。

2040年，繼向火星上發送探測器後，美國航空航天局計劃将潛水艇送往土星衛星。宇航局計劃使用有翼航天飛船。在以特超音速，成功進入衛星大氣層後，釋放潛水艇，使其墜落到海洋底部。

兩極雙極光現象

土星環繞太陽旋轉一周為30年，在公轉一次中僅出現兩次土星雙極光現象。哈勃望遠鏡拍攝的這張圖像顯示土星每個極地同時出現閃亮的極光。這一現象是由于“太陽風”形成的，太陽風是太陽噴射的亞原子帶電粒子流，與土星大氣層的分子發生交互作用。

在地球上，極光是帶電粒子沿着地球磁場線進入大氣層形成的奇特現象。天文學家發現該圖像中土星北極和南極極光之間存在細微的差别，其中包含在北極光中的明亮橢圓形狀區域比南極光區域略小，并且光線更強烈一些。這暗示着土星的磁場分布并不均勻，由于北極磁場更強一些，當太陽粒子穿過北極大氣層時被加速形成能量較高的粒子流。

英國萊切斯特大學的喬納森-尼科爾斯（Jonathan Nichols）博士是哈勃研究小組成員之一，他說：“哈勃望遠鏡已被證實是人類最重要的航天科學工具之一，這也是英國研究小組首次領導的哈勃觀測項目，并觀測到另一顆行星上的極光現象。”

據悉，在此之前哈勃望遠鏡未拍攝到這樣壯觀的圖像，尼科爾斯博士說：“這張圖片讓我們非常興，它對于航天科學研究具有獨特的作用，目前所拍攝的這張圖像具有特殊的優勢這是由于哈勃望遠鏡靠近土星赤道平面”。

尼科爾斯稱，由于土星擁有較長的軌道，哈勃望遠鏡在其服役期間将不再觀測到這樣的圖像。南極和北極同時出現極光現象具有非常重要的科學意義。通過這項研究我們将進一步掌握土星的磁場特性和與地球不一樣的産生極光過程。

萊斯特大學的科學家公布了由哈勃紫外巡天相機拍攝的土星北極光景象，這些影像拍攝于2013年4月-5月間經過進一步的研究，科學家發現土星的極光形成原理與地球類似，都是太陽風所攜帶的物質穿越大氣電子層所發。對此，萊斯特大學天文物理學教授Jonathan Nichols表示，土星上時隐時現、來回跳躍的極光就像是一場絢麗的燈光秀。值得一提的是，美國的卡西尼号探測器也從不同的角度捕捉到了類似的極光事件。

風暴之謎

一直以來天文學家都為土星北極神秘的六面風暴感到困惑不已，利用紅外波長拍攝的圖片顯示了紅色、橙色和綠色的僞色調。美國宇航局的卡西尼号宇宙飛船拍攝到了北極六邊形風暴的真實、令人驚歎的顔色，這一宇宙飛船已經環繞土星運行了9年多。

這一六邊形風暴大約25000千米寬——足夠大到容下4個地球。圖中的彩色複合圖片是利用卡西尼号宇宙飛船從610373千米遠處拍攝的原始圖片創造而來的。它顯示了六邊形奇特的幾何結構以及土星北半球陰影令人驚歎的變化。

這個六邊形是由土星的上層大氣風産生的。形狀中央可以看到極地渦旋。早在30多年前旅行者1号和旅行者2号首次觀測到這個六邊形，科學家們認為它是适應土星的旋轉産生的。卡西尼号宇宙飛船為科學家們提供了六邊形内巨大風暴旋轉的首個可見光下的特寫鏡頭視圖。

暴風外邊緣稀薄明亮的雲大約以150米每秒的速度前行。“當我們看到這個漩渦後才恍然大悟，因為它看起來非常類似地球上的飓風，”卡西尼号成像研究小組成員、美國加州帕薩迪納市加州理工學院的安德魯·英格索爾（Andrew Ingersoll）這樣說道。“但它是在土星上，且範圍更大，此外它某種程度上依賴于土星氫氣大氣層裡的少數水蒸氣。”

科學家目前正在研究這個飓風以獲得有關地球上的飓風的新見解，後者依賴于溫暖的海水。盡管土星大氣層高處的雲層附近并沒有水體，但了解這些土星風暴是如何利用水蒸氣的将為科學家們提供更多有關地球飓風是如何産生和維持的信息。

地球上的飓風和土星北極的渦旋都擁有一個無雲或少雲的中央眼。其它類似的特征包括高層雲形成風眼牆，其它高層雲環繞風眼旋轉，以及在北半球是逆時針旋轉的。這兩種飓風之間的一個重大差别在于土星上的飓風比地球上的更大，且旋轉速度驚人的快。在土星上，風眼牆的風吹的速度比地球上飓風吹動的速度要快4倍。