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2023年3月3日发(作者：开学贺卡)第6章探寻土星
土星是太阳系中最美丽的行星。
它的体积和质量仅次于木星，也属于巨行星。土星在冲日时的视星等为-0.4等，亮度可
与天空中最亮的恒星相比。我国古代把土星称为“镇星”；西方人叫它“萨图恩”，这是罗马
神话中农神的名字，并把镰刀作为土星的天文符号。在望远镜中，它那淡黄色的、桔子形状的
星体上漂浮着明暗相间的云带，腰间缠绕着一道绚丽多彩的光环，极区呈浅蓝色，妩媚动人。
比水还轻
土星和其他行星一样，也围绕太阳在椭圆轨道上运动。土星绕太阳公转的轨道半径约为
9.54天文距离单位（约14亿公里）轨道的偏心率为0.056，轨道面与黄道面交角为2°5′，
绕太阳公转一周约29.5年，公转平均速度约为9.6公里／秒。土星的自转很快，仅次于木星，
其自转角速随纬度而不同，在赤道上自转周期为10小时14分，在纬度60°处为10小时40
分。由于快速自转，使得它的形状变扁，是太阳系行星中形状最扁的一个。土星表面也有沿赤
道伸展的条纹带，表面为云层所覆盖。
用天文望远镜观察土星，看到的是一个带光环的天体。土星的赤道半径约为6万公里，其
赤道半径与极半径相差5000多公里。体积为地球的740倍，质量为地球的95倍。在太阳系的
行星中，土星的质量和大小仅次于木星。
平均密度是0.7克／厘米，比水的密度还要小。由于土星的密度太小，其表面重力加速
度和地球差不多（为地球的1.07）。在土星上，物体要有37公里／秒的速度才能脱离土星，
比地球表面的脱离速度大得多，因此土星能把大量的大气束缚住。
土星有稠密的大气，其大气的主要成分是氢和氦，还有甲烷、氨等。通过天文望远镜，我
们可以看到土星表面也有一些明暗交替的带纹平行于它的赤道面，带纹有时也会出现亮斑、暗
斑或白斑。白斑的出现不很稳定，最著名的白斑于1933年8月被英国天文爱好者W-T-海用小
型天文望远镜发现。此白斑位于土星赤道区，呈蛋形，长度达土星直径的1／5。以后这块白
斑逐渐扩大，几乎蔓延到土星的整个赤道带。
土星有一个光环。它是伽利略于1610年用望远镜发现的。当时伽利略把土星光环误认为
是土星左右两侧长出的“耳朵”。在长期的观测中发现，环带中间由两条暗缝分隔成三个环。
靠外的A与靠内的B环之间被一条称为卡西尼的缝（它是1675年由法国天文学家卡西尼发现
的）隔开；C环靠近土星本体，但较暗弱。1966年和1969年，天文学家用光电测光方法又发
现C环内有一层更暗的D环；A环外又有一层E环，环缝分别命名为“恩克缝”和
“法兰西缝”。A、B、C环为主环，A环宽度为14400公里，B环为25800公里，C环为
20800公里，D环几乎触及土星表面，E环延伸到5～6个土星半径以外。
由于土星的自转轴相对于公转轨道有一个26.7°的倾角，因而从地球上看去，有时它的
北极斜对着我们而看不到南极，有时则是南极斜对着我们，每29.5年周而复始。每当光环的
边缘与我们的视线趋向一致时，光环越来越变得像一条线；当它与视向完全重合的一段短时间
内，光环竟消失不见。这一现象说明，土星的光环虽然很宽，但很薄。
为了探测太阳系外围空间的物理情况，1973年4月“先驱者11”号上天，1979年9月1
日飞临土星，成为第一个就近探测土星的人造天体。“旅行者”1号、2号在考察完木星后，
继续驶向土星，对土星进行考察。完成考察土星的任务后，“旅行者2号”又继续飞向天王星
和海王星，对它们进行考察。这些“一身多任”的宇宙飞船，为我们带来了土星的新消息。
“先驱者11号”飞船于1979年8月、9月在距土星128万公里处发现，土星磁场十分特
殊，磁场图很像一条大鲸鱼，其头部圆钝，两边伸出扁形翅，还有粗壮的尾巴。土星磁场的磁
轴与其自转轴吻合，磁心偏离土星核心22.5公里。磁场范围比地球的磁场范围大上千倍，但
比木星磁场小，也没有木星磁场复杂。
“先驱者11号”同时还发现，土星有一个辐射带，其强度小于地球的辐射带。它是由土
星磁场俘获的带电粒子组成的。宇宙飞船在6万公里之外接收到了土星发射的无线电波，表明
土星有较强的电磁辐射。据测定，土星辐射的能量是它接收到太阳能量的2.5倍，表明土星与
木星一样有内在能源。
“先驱者11号”于1979年9月探测到土星的一个新环--F环和一个环缝，此环缝后来被
命名为“先驱者环缝”。F环宽度不到800公里，距土星中心为2.33个土星半径处，正好在A
环外侧；先驱者缝位于A环与F环之间，宽度约3600公里。1980年“旅行者1号”发现了G
环，G环分布在离土星中心约10～15个土星半径之间的广阔地带。
“旅行者”1号和2号飞船在飞越土星时发现，土星环的环数远不止7个，而是成千上万
个，均分布在土星环的平面内。飞船发回的照片显示出，土星环中有环，令人眼花瞭乱。乍看
起来，这些光环很像一张密纹唱片上的纹路，仔细观察，原来土星环具有更精细的结构：大多
数光环是光滑匀称的，但也有些是锯齿形的，有的呈辐射状，还有的像发辫一样互相扭结。A、
B、C环是由几百乃至上千条细环构成；卡西尼缝中并不空，至少有20条细环；恩克缝中也有
2条呈纽结状的细环。此外，还发现了几十个新环缝；F环至少由3条细环所构成，其中2条
亮环像发辫那样相互绞缠，另一条暗黑且宽；F环上有团块和纽结。“旅行者号”飞船观测还
表明：土星环是由大小不等的碎块和颗粒组成，A、B、C环中最大的碎块约为10米，更多碎
块的大小在10厘米左右；F环大部分则是由微米量级的粒子所构成。土星光环很宽，也很
薄，整个光环宽约20万公里，而其最大厚度则不超过150米。
土星有一层厚而浓密的大气层，大气的结构很像木星，以氢、氦等为主，只是氢比木星少
些。宇飞船拍摄的照片显示出，土星呈淡黄色，北极区呈浅蓝色。大气中翻腾着由稠密的氨晶
体组成的云，云上呈现一些斑点、晕圈、丝条和漩涡状动态结构，还有彩色的亮带和暗纹。土
星也有一个大红斑，但比木星大红斑要小得多。土星的大红斑是一个长8000公里、宽6000公
里的卵形区，呈桔红色，估计是由一次飓风所致。此外，在土星表面上还发现灰暗的卵形区，
可能是土星大气流上升后又下降进入云层时引起扰动和旋转形成的。和木星风一样，土星风也
是东西向的，但比木星风大，最大风速为500米／秒。
土星的表面温度为-140℃，支顶温度为-180℃，比木星低50℃。土星有一个直径为2万
公里的岩石核心，核心外面就是土星大气。
土星家族
在宇宙飞船探测土星之前，人们知道土星有10颗卫星。1977年发现了土卫十一，1979年
“先驱者号1号”飞临土星时，探测到了第十二颗卫星。为了纪念它的功绩，起名为“先驱者
号”。“旅行者1号”飞船于1980年10月26日和11月10日在近距离考察土星时，又发现
了5颗卫星。1981年8月25日“旅行者2号”在距土星云层之上101000公里处掠过，考察
了土星及其光环和9个卫星。这次飞掠土星时，又发现了6颗卫星。
现已确认的土星卫星共23颗。距土星最近的是土卫十五，它与土星的距离为13.7万公
里，仅为卫星到土星中心的2.29个土星半径，公转周期为0.601天，其半径只有15公里；最
远的是土星九，平均距离约1293万公里，它距土星中心为216个土星半径。土卫八的轨道面
与土星赤道面的交角为7°52′，属于不规则卫星。土卫九的轨道面与上星赤道面的交角为
175°，逆行，轨道偏心率达0.163，也属于不规则卫星。其余的卫星均为规则卫星。有趣的
是，土卫四和土卫十二、土卫十和土卫十一都是两两同一条轨道上；而土卫三、土卫十六和土
卫十七则是三星同居一轨道。从飞船发回的资料看，没有发现这些卫星上有火山活动的痕迹。
土星的卫星中，土卫六是天文学家关注的天体之一。它于1655年被荷兰天文学家惠更斯
发现。长期以来，土卫六一直被认为是卫星中体积最大的，也是太阳系中唯一拥有大气的卫星，
其大气成分主要是甲烷；过去认为它的表面温度也不很低，因而人们推测在它上面可能存在生
命。“旅行者1号”发回的数据却令人失望，它发现土卫六的直径只有5150公里，并不是太
阳系中最大的卫星（木卫三的直径最大，为5262公里），它有一层稠密的大气层和一个液态
的表面，其大气层至少有400公里厚，甲烷成分不到1％，大气的主要成份是氦，占98％，还
有少量的乙烷、乙烯及乙炔等气体。土卫六的表面温度在-181℃到-208℃之间，液态表面下有
一个冰幔和一个岩石核心。飞船未发现存在任何生命的痕迹。土卫六能向外发射电波，使人感
到迷惑。此外，土卫六轨道附近有一个氢云。
除土卫六外，天文学家从“旅行者号”飞船发回的资料发现，土星的其他卫星都比较小，
在寒冷的表面上都有陨击的疤痕，像破碎了的蛋壳。土卫一表面上有一个直径达128公里的陨
石坑；土卫二有着荒凉的平原、陨石坑和断皱的山脊，它的不同区域代表着不同的历史时期；
土卫三上有一个又深又宽，长约800公里的裂谷；土卫四表面有稀疏而明亮的条纹，它们都环
绕着陨石坑。
奇妙的光环
土星的光环是围绕土星运行的物质环。用天文望远镜观看星星时，除月球外，最妩媚动人
的莫过于土星光环了。土星美，美在光环。明亮的光环，就像一条精致的金项链，佩在土星身
上。
最早发现土星光环的人是枷利略。
伽利略在1610年用自制的望远镜观察土星时，发现土星的两边有奇妙的半月形光影。当
时枷利略把它们称为土星的“耳朵”，误认为土星可能是由一大二小的天体组成，怀疑这耳朵
是土星两侧的两颗卫星。但是，他一直不敢将自己的观察结果发表，其原因是他发现土星“卫
星”并没有绕土星公转，似乎永远停留不动。而更令他惊奇的是二年后那两颗“卫星”竟然失
踪，三年后又重新出现。是什么原因呢？伽利略直到去世也没弄明白土星“卫星”为什么永不
转动。他无论如何也不会想到，自己竟是世界上第一个见到土星光环的人。
在以后的年代里，许多观测者都描绘了自己所见的土星，它具有非常奇怪的现象。但没有
人能说清楚它的形象为什么那样变化多端。半个世纪以后，荷兰天文学家惠更斯用更大更好的
望远镜进行观测，才揭开了这个谜。原来那两颗“卫星”是与土星不相连接、环绕在土星赤道
面上的光环。这光环由无数个形状、大小不等，直径在7.6厘米至9米之间的冰块组成，以很
快的速度浩浩荡荡地围绕土星运转，在太阳光的照耀下呈现出各种颜色。光环的直径达27万
千米，厚度为10千米左右，由东向西自转。到1675年，意大利天文学家卡西尼
（G．D．Gassini）在土星光环中发现有一圈空隙。他所发现的这个空隙，就是以他的姓命名
的著名的卡西尼环缝。
地面观测发现土星光环厚约3公里，宽达20多万公里，可分成7个环，最亮的环宽约
2.6万公里；环与环之间有1条缝隙，最大的缝隙约5000公里。1980年11月，“旅行者—1”
号探测器拜访土星时，发现土星光环不止7环，而是由成千上万细小的环构成的，这些细环就
像一张巨大的密纹唱片上的波纹，从土星云顶一直延伸到32万公里的地方。这些光环是由无
数颗大小不等的石块和冰块组成，大多数的直径在4～30厘米之间。如若将这些石块和冰块聚
合在一起，可构成月球那样大小的天体，可见，土星光环决非等闲之物。
土星光环不是随时可见的，光环侧对着地球时能够看到光环；光环平对着地球时，哪怕用
最大的天文望远镜也无法看到它的“尊容”，如1995年和2009年就无法看到。
土星环的结构是17～19世纪陆续被发现的。到20世纪80年代初，至少有3个探测
器先后对土星做了“走马观花”式的观测，最大的发现是土星环的结构极为复杂。
原来，人们根据地面观测和空间探测，把土星环划分为7层。距土星最近的是D环，亮度
最暗，其次是C环，透明度最高，B环最亮，最后是A环。在A环和B环之间有段黑缝，这就
是著名的卡西尼环缝，缝的宽度大约5000千米。在A环之外有E、F、G三个环，最外层的是
E环，十分稀薄和宽广。
旅行者1号和2号探测器把土星环的近距离照片送回地球后，科学家们非常吃惊：原来每
一个小环又可细分成上千条大大小小的小环，即使被认为空无一物的卡西尼缝也存在几条小环。
在高分辨率的照片中可以见到F环有5条小环相互缠绕在一起。土星环的整体形状就类似一个
巨大的密纹唱片，从土星的云顶一直延深到32万千米远的地方。
光环的颜色远看是红棕色，其实每层环的颜色都稍有不同，C环是蓝色，B环内层为橙色，
外层为绿色，A环为紫色，卡西尼缝是蓝色。
旅行者号探测器展示给我们的是埋光环的新结构，有些问题较难解释。
拜访女巨神
1655年3月25日，荷兰天文学家惠更斯在用自制的3.7米长折射望远镜观测土星时，无
意中发现了一颗土星的卫星，这颗卫星被命名为提坦。提坦是希腊神话中的女巨神、第二代天
神克洛诺斯的妻子。它就是最受天文学家瞩目的土卫六，是被人类发现的第一颗土星卫星。
长期以来，土卫六一直被认为是太阳系卫星中体积最大、比水星还大的卫星之王。旅行者
号探测器的一次近距离测量，在35千米处拍下5张高分辨率的照片。照片上土卫六展现出美
丽的桔红色的星体，像一个熟透了的桔子。更重要的是收到的数据资料，改写了土卫六原来
5800千米的直径，实际直径应为4828千米，迫不得已地把“卫星之王”的桂冠转让给了木星
的卫星木卫三，屈居第二。这并没有影响它的地位，科学家们一直对土卫六很感兴趣，原因在
于它是卫星中唯一有大气存在的天体。大气的主要成分是氮，约占98％，甲烷占1％，其余的
碳氢化合物在大气中所占比例非常小，大气层厚度约为2700千米。土卫六的表面温度很低，
在-190℃～-210℃之间，使之形成了美丽的液氮海洋。
虽然我们看不到土卫六的表面，但旅行者号探测器为我们提供的资料显示：土卫六是太阳
系中的又一个奇异世界，黑暗寒冷的表面，液氮的海洋，暗红的天空，偶尔洒下几点夹杂着碳
氢化合物的氮雨等。这些是人类了解生命起源和各种化学反应的理想之处。
从惠更斯发现土卫六以来，至今已有300多年的历史，土卫六仍是一个待解之谜。要想对
土卫六有更深刻的认识，还需要人类不断地进行探索。
“天资”出众
天文学家们为什么特别看重土卫六呢？因为土卫六“天资”出众，所以受到天文学家们的
青睐和器重。土卫六与众不同的“天资”表现在如下方面：
首先，土卫六的直径为4828公里，在卫星世界中居第二位，比九大行量中的冥王星大许
多，跟水星的个头儿差不多。它的质量是月球质量的1.8倍，平均密度为每立方厘米1.9克，
约为地球密度的1／3，引力则为地球的14％。
土卫六与土星的平均距离为122万公里，沿着近乎正圆形的轨道绕土星运动。它像月球一
样，总以同一面向着自己的行星--土星。也就是说，如果在土星上看土卫六的话，永远只能看
到土卫六的同一个半面。它的轨道基本上在土星赤道面内。你可以想一想，土卫六这么大的天
体，沿着大约122万公里的半径，居然运动在近乎正圆的轨道上，这真是有点难以想象的事。
如果让我们专门画这样一个圆，恐怕也是不容易办到的。足见天体演化中的自然奇观。
第二，1944年，美籍荷兰天文学家柯伊伯对土卫六进行了系统的分光观测研究，发现土
卫六上有甲烷气体，从而确认土卫六上有浓密的大气层。一直到现在，土卫六仍是太阳系内已
知的60多颗卫星中有大气的唯一卫星，这怎能不受到天文学家们的特别偏受呢？
第三，根据土卫六的运动特征、物理状况和化学成分，天文学家们判定土卫六是和土星一
起演化形成的，属于稳定卫星，不可能是土星后来捕获的小天体。一些天文学家曾一度将土卫
六的质量、体积、表面重力、表面温度、大气成分、水和冰的含量、自转和公转等天体特征和
天体环境与地球进行比较，目的是想从中获取有关早期生命物质演化的蛛丝马迹。
其他天体上有没有生命的繁衍？这个问题一直萦绕在天文学家们的脑际。土卫六的发现者
惠更斯在《天体奇观，关于其他行星上的居民、植物及其世界的猜想》一书中写道：如果我们
认为这些天体上除了无边无际的荒凉之外，一无所有，……甚至进一步认为那里根本
不可能存在高级生物，那么我们无异就贬低了它们，而这是非常不合情理的。诚然，判断哪个
天体上有没有生命，这是一个十分严肃的科学问题。从目前看，恐怕过于乐观是不现实的，然
而过于悲观也是没有根据的，实践是检验真理的唯一标准。至于土卫六上的生命信息，至今仍
是个不容乐观的谜，但是一定会在不断探测的实践中得到解决。
从地球上看去，土卫六是一颗8.4等星。凭眼睛直接看是绝对看不到的。用较好的天文望
远镜观测它，也只能看到一个小小的红点似的盘状体。为什么是这个颜色呢？有人认为这可能
是因为土卫六上存在着复杂的有机分子。当然，完全依靠地面观测是解决不了这类问题的，只
能是“纸上谈兵”。
随着宇航事业的飞速发展，行星际探测器取得了空前的成果。目前，亲自探测过土卫六的
行星际飞船共有两个。它们是美国发射的“先驱者11号”和“旅行者1号”。
1979年9月1日，“先驱者11号”飞掠土星，考察了土卫六。不过，当“先驱者11号”
考察土卫六时，正赶上一阵强烈的太阳风，严重地影响了发回的信息。地面控制中心只收到它
在35万公里处拍下的5张高分辨率的照片。在照片上，土卫六呈现美丽的桔红色，像熟透了
的桔子。“旅行者1号”于1980年11月11日飞临土卫六。它离土卫六最近时，离云顶只有
4000公里，探测取得完满的成功。就是这次，测得土卫六的直径为4828公里，而不是过去认
为的5550公里。
“旅行者1号”对土卫六的考察结果表明，土卫六确有浓厚的大气层，约有2700公里厚，
比地球大气密度还高。大气的主要成分是氮气，占98％，甲烷占1％，还有少量的乙烷和氢
等。金星、地球和火星的大气中也都有氮气，但是都没有土卫六这么多得惊人。
“旅行者1号”还发现土卫六大气呈雾状。浓密的雾层使阳光不能照到土卫六的表面，影
响了“旅行者1号”对土卫六表面的观测。同时，也有的科学家根据“旅行者1号”的观测资
料，认为土卫六大气中充满甲烷。
为了进一步研究土卫六大气和生命的关系，美国康奈尔大学的行星物理学家卡尔-萨根等
人，做了土卫六大气模拟实验。研究者认为，土卫六上含有大量氮气的大气层，产生了各种各
样的生命前的化学物质。萨根指出：“早期的地球上可能也曾发生过类似的过程。但在土卫六
上发生的生命前化学过程，因为那里的温度远低于水的冰点，大概是不会有生命的。”
说到这里，你有没有想到：为什么在卫星中只有土卫六有如此丰富的大气层呢？这一直是
行星物理学家们在思索的问题。有人认为，这可能是土卫六表面温度高到足以维持相当数量的
甲烷和氨气，以保持与其表面的冰相平衡。也可能是土卫六上的冰含有甲烷和氨，在上卫六的
温度下容易形成大气。第三种可能是土卫六大气不会像受木星强磁场那样，使大气跑掉。第四
种可能是土卫六的质量大，能经受内部的分化，分化出的冰向表面集中，它的引力足以使大部
分的气体不至跑掉。
这颗令人神往的土卫六表面是什么样子呢？应该说至今还没有直观的资料。科学家们做过
多种可能的推测，科学幻想小说家们对土卫六的描述，更是笔下生辉。然而，一切都必须尊重
科学。
根据土卫六大气中那么多氮气，同时土卫六表面温度又比地球低得多，约在-201～-190℃
之间，以及土卫六的体积和质量等，有的科学家推测它的内部物理状况及表面特征，并首先寻
找土卫六上的岩石和冰的比例关系。有人估算土卫六上的岩石物质约占它总质量的55％，其
余为冰；土卫六表面是寒冷的液态海洋，海洋中70％是乙烷，25％是甲烷，5％是熔解氮，整
个液态海洋约有1公里厚，包围着土卫六。1989年6月4～5日，从地球上向土卫六进行了雷
达探测，结果表明土卫六上也可能有陆区。
“旅行者1号”还发现土卫六的南北两半球的明暗有差异：南半球明亮，北半球暗淡。这
是什么原因造成的呢？可能是土卫六上南北不同季节引起的。“旅行者1号”拜访时，土卫六
北半球正好是春季的开始。不过，也有人认为这可能是土星磁层对土卫六的影响。总之，目前
还解释不清楚。土卫六大气吸光能力很强，可吸收落在它上面的阳光约80％。这些热量大部
分被大气中的雾粒和甲烷气体吸收，也许只有5％～10％的阳光能到达土卫六的表面。
从惠更斯发现土卫六起，300多年来，关于土卫六的不解之谜似乎越来越多。其实这是不
奇怪的，这表明我们的认识越来越深刻。伟大的波兰天文学家哥白尼有一句名言：“人的天职
是勇于探索。”