土星为什么有光环
-七次社
2023年2月16日发(作者：水体消毒)行星环
行星环引指围绕行星旋转的星际物质，主要为一些碎片颗粒，目前在太阳系的一些行星上发
现。在远处观测（地球），由于反射太阳光而形成一条环状的带子而得名。最早发现该现象
的科学家是伽利略（土星环）。太阳系中拥有行星环的行星有木星、土星、天王星和海王星。
基本介绍
对于远离太阳的类木行星来说，除了有其绕转的卫星外，还有另一类绕转的物体，这就
是行星光环，行星光环的形成在于其环绕的物质离行星更近，这些物质的质量不很大，
行星环欣赏(20张)因而物质团块的体积在不很大时就会超过它的洛希体积（如果星体体积大
于它的洛西体积，则星体上的物质就会由于另一颗星的引力而流出，像密近双星的两颗子星
交换物质那样），使它们不能凝聚成一个大的卫星，而只能形成环绕行星的运动的连续分布
的物质系——即光环，例如著名的土星光环就是这样形成的。行星光环色彩由构成行星光环
的物质微粒的大小决定。构成行星光环的微粒体积不同对白色太阳光的散射程度就有差异，
体积较大的微粒对太阳光的散射接近色谱红色区域，而体积较小的微粒则靠近蓝色。现已知
道，木星、天王星和海王星都有光环，不过它们的光环比较暗弱，不像土星光环那样明亮，
比较容易在地面上用望远镜发现而已。
组成物质
观测发现，土星光环中的粒子会由于彼此之间的碰撞而不断聚合成一个大的物体，当物
体的直径超过50米以后，又会由于其它团粒的碰撞而分开，这是由于它的表面的引力已经
由于其体积的增大而小于行星对它的引力，因而自身体积已经超出了洛西体积的缘故，因而
继续碰撞的结果是使它瓦解而不是
行星环
使它的体积继续增大，因此正是由于行星的引力限制了它的团粒的继续增长，使它不能像离
行星较远的团粒那样，聚合成一个更大的星体。对于处于光环以外的卫星，也会像把引力施
加在行星上产生潮汐力那样施加在光环上，产生出对光环物质的潮汐摄动现象，这种作用会
把光环中那些具有和摄动卫星公转周期成整数比的运动粒子清扫出去，形成光环中的环缝，
这叫做引力共振现象，例如土星光环就是由和土星距离大小不等的A、B、C、D四个同心
环组成，这些环彼此间具有宽度大小不等的几条窄缝，就是由于上述原因形成的。小行星带
中的几条环缝也是这样形成的，它主要由木星的引力摄动形成，叫做科克伍德缺口；不过，
人们也发现，对于小行星带来说，情况好像更加复杂一些，一些地方会由于引力共振而使星
数减少，而另一些地方则会使星数增加，看来好像这种引力共振会产生两种倾向，一种是星
数锁定效应，使此处星数增加，另一种则是星数解离效应，使此处的星数减少一些，这样看
来，引力共振倒也像名副其实的共振，一些地方由于相长共振而使振幅加强，表现为星数的
增加，另一些地方由于相消共振而是振幅减小，表现为星数的减少，因此，确切地说，引力
共振不如更准确地叫引力相干为好一些。
光环形成
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早在1850年，法国数学家洛希就推断出：由行星引力产生的起潮力能瓦解一颗行星，
或瓦解一颗进入其引力范围的过往天体。这种起潮力能够阻止靠近行星运转的物质结合成一
个较大的天体。目前所知道的行星环就是位于这个理论范围内，其边界被称为洛希极限，是
一个重力稳定性的区域。据此，科学家们对行星环的成因进行了三种推测；第一，由于卫星
进入行星的洛希极限内，从而被行星的起潮力所瓦解；第二，位于洛希限内的一个或多个较
大的星体，被流星撞击成碎片而形成光环；第三，太阳系演化初期残留下来的某些原始物质，
因为在洛希极限内绕太阳公转，而无法凝集成卫星，最终形成了光环。
不过，对于光环的成因，科学家们目前还只能是进行猜测而已。更令他们疑惑不解的问
题是那些窄环的存在，因为根据常规，天体碰撞、大气阻力和太阳辐射都会对窄环造成破坏，
使它消散在空间。究竟是什么物质保护着窄环使其存在呢？一些学者提出，一定有一些人们
尚未观测到的小卫星位于行星光环窄环的边缘，它们的万有引力使窄环得以形成并受到保
护。这种观点被人们后来的发现所证实，因为人们不仅在土星而且在天王星的窄环中，也发
现了两颗体积很小的伴随卫星，它们的复杂运动相互作用，使光环内的物质运动也缺乏规律
性，也许这正是不同的行星环具有不同的形态的原因所在。
随着研究的深入，使人们当初的一种推测——行星环为太阳系演化初期残留下来的某些
物质绕行星公转而成这一观点，受到了越来越多的学者的怀疑。比如，德国的一位天体学家
认为，在1亿年前，一颗小彗星与一颗直径60英里的土星卫星发生碰撞，从而形成土星环。
对于神奇的行星光环，科学家们仍然不断提出新的推测和假说。然而，随着天文新发现的增
多，行星光环反而显得更加神秘莫测了。
行星光环是怎样形成的呢?首先，行星本身所在的空间的温度应足够低，以便能够保留
大量的原始时期的颗粒物质，其次，行星的质量也要足够大，使行星的洛西限控制的空间半
经延伸得足够远，很显然，类地行星不具备这样的条件，因此它们也就没有这样的光环存在，
有光环的只可能是类木行星等一类质量较大、距离太阳较远的行星，这就是行星的光环为什
么只存在于类木行星周围的原因，但是这个原因只是形成行星光环的一个基本原因，实际情
况还是会因具体行星的情况不同而不同，木星由于质量大，引力收缩时期产生的热量多，因
而驱逐了星体周围的较多原始的剩余物质，形成的光环较窄，为石质的，而根据近年来的观
测资料，土星的光环可能不是原先自发形成的，而是一颗大卫星碰撞破碎后瓦解而成的，只
是碎片落在洛西限以内，不能再形成卫星而已，至于这颗大卫星本身，可能是它先前所俘获
的一个天体，而天王星和海王星的光环为石质和冰质颗粒相间组成，且环的宽度较大，其内
部的部分可能是由于单纯的洛西限作用形成的，而它的外围部分则可能是由于更远处的几颗
大卫星的潮汐摄动造成的，这种摄动和木星对小行星带的摄动一样，将其轨道内的大部分原
始的颗粒物质拉出，使剩余物质不能再因自身的引力聚合起来，形成较大的天体所致。[1]
土星环
在太阳系中，土星被誉为美丽的天体，它戴着的光环曾被认为是不可思议的奇迹。在这
4颗戴着光环的行星中，土星的光环最为壮观和奇丽。历史上首先发现土星光环的是意大利
天文学家伽利略。伽利略用刚刚发明不久的天文望远镜观测土星，发现它的侧面仿佛有一些
什么东西。土星环由蜂窝般的太空碎片、岩石和冰组成。土星的自转轴和地球一样，也是倾
斜的，土星的轴倾角是26.73°，地球则是23.45°。由于土星的光环和赤道是在同一平面上，
所以它是对着太阳（也对着我们）倾斜的。当土星运行到其轨道的一端时，我们可由上往下
看见光环近的一面，而远的一面仍被遮住。当土星在轨道的另一端时，我们就可由下往上看
到光环近的一面，而远的一面依然被遮住。土星从轨道的这一侧转到另一侧需要14年多一
点。在这段时间内，光环也逐渐由最下方移向最上方。行至半路时，光环恰好移动到中间位
置，这时我们观察到光环两面的边缘连接在一起，状如“一条线”。随后；土星继续运行，
沿着另一半轨道绕回原来的起点，这时光环又逐渐地由最上方向最下方移动；移到正中间时，
我们又看见其边缘连接在一起。因为土星环非
行星光环
常薄，所以当光环状如“一条线”时就好像消失了一样。
土星环位于土星的赤道面上。主要的土星环宽度从48公里到30.2万公里不等，以英文
字母的头7个命名，距离土星从近到远的土星环分别以被发现的顺序命名为D、C、B、A、
F、G和E.土星及土星环在太阳系形成早期已形成,当时太阳被宇宙尘埃和气体所包围,最后
形成了土星和土星环.在空间探测以前，从地面观测得知土星环有五个,其中包括三个主环
(A环、B环、C环)和两个暗环(D环、E环)。B环既宽又亮，它的内侧是C环，外侧是A
环。A环和B环之间为宽约5，000公里的卡西尼缝，
在太阳系的任何地方都没有像土星环那样的东西，或者说，用任何仪器我们也看不到任
何地方有像土星环那样的光环。诚然，我们现在知道，围绕着木星有一个稀薄的物质光环，
且任何像木星和土星这样的气体巨行星都可能有一个由靠近它们的岩屑构成的光环。然而，
如果以木星的光环为标准，这些光环都是可怜而微不足道的，而土星的环系却是壮丽动人的。
从地球上看，从土星环系的一端到另一端，延伸269,700公里（167,600英里），相当于地球
宽度的21倍，实际上几乎是木星宽度的2倍。
1610，伽利略第一次透过他原始的望远镜观察土星时，发现它的形状有点奇怪，好像在
其球体的两侧还有两个小球。他继续观察，发现那两个小球渐渐变得很难看见，到1612年
年底时，终于同时消失不见了。其他天文学家也报告过土星的这种奇怪现象；但直到1656
年，惠更斯才提出了正确的解释。他宣称，土星外围环绕着一圈又亮又薄的光环；光环与土
星不接触。天文学家卡西尼在1675年发现A环和B环之间为宽约5，000公里的卡西尼缝，
1826年，德国血统的俄国天文学斯特鲁维把外面的环命名为A环，把里面的环命名为B环。
1850年，美国天文学家W.C.邦德宣称，还有一个比B环更靠近土星的暗淡光环。这个暗淡
光环就是C环，C环与B环之间并没有明显的分界。
土星环到底是什么呢？J.D.卡西尼认为它们像铁圈一样是平滑的实心环。可是，1785年
拉普拉斯（后来他提出了星云假说）指出，因为环的各部分到土星中心的距离不同，所以受
土星引力场吸引的程度也会不同。这种引力吸引的差异（即我前面提过的潮汐效应）会将环
拉开。拉普拉斯认为，光环是由一系列的薄环排在一起组成的，它们排列得如此紧密，以致
从地球的距离看去就如同实心的一样。可是，1855年，麦克斯韦（后来他预言了电磁辐射
宽频带的存在）提出，即使这种说法也未尽圆满。光环受潮汐效应而不碎裂的惟一原因，是
因为光环是由无数比较小的陨星粒子组成的，这些粒子在土星周围的分布方式，使得从地球
的距离看去给人以实心环的印象。麦克斯韦的这一假说是正确的，现在已无人提出疑义。法
国天文学家洛希用另一种方法研究潮汐效应，他证明，任何坚固的天体，在接近另一个比它
大得多的天体的时候，都会受到强大的潮汐力作用而最终被扯成碎片。这个较小的大体会被
扯碎的距离称为洛希极限，通常是大天体赤道半径的2.44倍。这样，土星的洛希极限就是
2.44乘以它的赤道半径60,000公里，即146,400公里，A环的最外边缘至土星中心的距离是
136,500公里（84,800英里），因此整个环系都处在洛希极限以内。（木星环也同样处在洛希
极限以内。）
很明显，土星环是一些永远也不能聚结成一颗卫星的岩屑（超过洛希极限的岩屑会聚结
成卫星——而且显然确实如此），或者是一颗卫星因某种原因过分靠近土星而被扯碎后留下
的岩屑。无论是哪一种情况，它们都是余留的一些小天体。（被作用的天体越小，潮汐效应
也就越小，碎片小到某个程度之后，就不再继续碎裂了，除非两个小天体相互间偶尔碰撞。）
据估计，如果将土星环所有的物质聚合成一个天体，结果将会是一个比我们的月亮稍大的圆
球。
木星环
随着行星际空间探测器的发射，不断揭示出太阳系天体中许多前所未知的事实，木星环
的发现就是其中的一个。早在1974年“先锋11号”探测器访问木星时，就曾在离木星约
13万公里处观测到高能带电粒子的吸收特征。两年后有人提出这一现象可用木星存在尘埃
环来说明。可惜当时无人作进一步的定量研究以推测这一假设环的物理性质。1977年8月
20日和9月5日美国先后发射了"旅行者1号"和"旅行者2
木星环
号"空间探测器。经过一年半的长途跋涉，"旅行者1号"穿过木星赤道面，这时它所携带的
窄角照相机在离木星120万公里的地方拍到了亮度十分暗弱的木星环的照片。同年7月，后
其到达的"旅行者2号"又获得了有关木星环的更多的信息。
根据对空间飞船所拍得照片的研究，现已知道木星环系主要由亮环、暗环和晕三部分组
成。环的厚度不超过30公里。亮环离木星中心约13万公里，宽6000公里。暗环在亮环的
内侧，宽可达5万公里，其内边缘几乎同木星大气层相接。亮环的不透明度很低，其环粒只
能截收通过阳光的万分之一左右。靠近亮环的外缘有一宽约700公里的亮带，它比环的其余
部分约亮10%，暗环的亮度只及亮度环的几分之一。晕的延伸范围可达环面上下各1万公
里，它在暗环两旁延伸到最远点，外边界则比亮环略远。据推算，环粒的大小约为2微米，
真可算是微粒。这种微米量级的微粒因辐射压力、微陨星撞击等原因寿命大大短于太阳系寿
命。为了证实木星环是一种相对稳定结构这一说法，人们提出了维持这种小尘埃粒子数量的
动态稳定的几种可能的环粒补充源。
海王星环
由于拥有环的三颗行星——土星、木星和天王星都属于类木行星，因而人们很自然会去
猜想第四个类木行星——海王星是否也存在环。美国杂志《空间与望远镜》1978年4月号
曾报道，1846年10月10日就有人在60厘米反射望远镜中用肉眼看到过海王星环，并在次
年为剑桥大学天文台台长查里斯所证实，后者甚至得出环半径为海王星半径1.5倍的结论。
但因后人在寻找海王星卫星的多次观测中
海王星光环
均未发现环，这件事就渐渐被人淡忘了。本世纪80年代在发现天王星环的鼓励下，不少人
试图通过海王星掩星事件来发现环，但对几次掩星观测结果的解释却是众说纷纭。有人报道
发现了环，有人则说不存在环。对报道发现环的观测结果也有人认为可用其他原因来解释而
否定环的存在。总之，海王星是否有环一时成了悬案。
1989年8月，"旅行者2号"探测器终于使这一悬案有了解答。当她飞近海王星时，发
现海王星周围有3个光环隐藏在尘面下，而且外光环很不一般，呈明显弧状，沿弧有紧密积
聚的物质。但有关海王星环系的具体情况至今仍不太清楚，还需要人们更多的探测和研究。
天王星环
由于相对运动的关系，远方恒星有时会移动到太阳系天体如月亮、行星或小行星的正后
方，这种现象称为掩星。掩星发生时，如果近距天体没有大气，星光便立即消失。如果天体
外围有大气，则星光在完全消失前会有一个略被减弱的过程。各类掩星发生的时刻可以通过
理论计算非常准确地作出预报。
1977年3月10日曾发现一次天王星掩星的罕见天象，被掩的是一颗暗星。中国、美国、
澳大利亚等国的天文学家都对此进行了观测。意想不到的奇怪事情发生了，小星在预报被掩
时刻前35分钟出现了"闪烁"，也就是星光减弱又迅即复亮。这种闪烁一连出现了好几次。
当这颗星经天王星背后复现，或者说掩星过程结束后，闪烁现象又重复出现。以后，经过对
观测结果的仔细研究，发现闪
天王行星光环
烁是因天王星环的存在而造成的。这是继1930年发现冥王星后本世纪太阳系内的又一重大
发现。由于天王星环非常暗弱，过去即使在大望远镜中也从未直接观测到过。1978年，美
国用5米口径望远镜才在波长2.2微米的红外波段首次拍摄到天王星环的照片。
在随后的几年，天文学家共辨认出9条光环这些环都很窄，一般不足10千米，其中一
条最宽的环叫ε环，约100千米。这些环都很暗，即使用世界上最大的天文望远镜也不能直
接看到，因此虽然它们在本质上和土星光环并无区别，但天文学家却只称它们“环”，而不
称它们“光环”。
1986年1月24日，“旅行者”2号在探测天王星时不但证实了这些环的存在，还发现了
两条新环，使目前我们所知的王天星环达到11条。这些环大多是圆的，环与环相距较远。
只有ε环较为特殊，是椭圆环。这些环有的呈深蓝色，有的偏红。环中的物质大部分是微小
的尘埃，间或也有拳头、西瓜大小的石块，偶尔还有卡车那么大的岩石，中间夹杂着一些冰
屑。