能「浮」在水上的行星

隨筆的輕鬆風格與嚴謹詳實的科學資料，帶您暢遊太陽系的經典行星。

美國天文學家泰森（Neil deGrasseTyson）寫過一本自傳，叫做《天空不是極限》（The Sky Is Not The Limit）。在其中，泰森提到他14歲那年有幸與很多科學家同船前往非洲西北海岸觀看日全食。在船上舉辦的趣味競答中，泰森因答出一道關鍵的題目而大大露了臉。那道題目是：除美麗的光環外，土星還有什麼特徵與其他行星截然不同？答案是：土星是太陽系裡唯一可以浮在水上的行星——因為其平均密度不到0.7g/cm3，比水還小。

我讀到泰森的這段回憶時不禁有些扼腕，因為我在他那個年齡時也是知道這一點的，可惜卻不曾有那樣的機會來「顯擺」。不過，咱們這篇土星故事倒是可以從土星的這一特點開始談起。

關於這一特點，其實應該指出的是：所謂土星「可以浮在水上」只是形象描述，便於讓人對土星的平均密度比水還小這一特點有一個深刻印象，事實上卻是不成立的。讀者也許會說，那是當然啦，因為根本就沒有那麼大的「海」，能容得下土星嘛。這當然也沒說錯。不過，土星之所以不能浮在水上並非只是因為沒有那麼大的「海」，而是原則上就不可能。為什麼呢？因為當普通物質——比如水的數量積累到能與巨大的土星相提並論時——甚至遠遠不到這一數量時，引力就將成為主宰一切的力量。那些本質上是由原子或分子之間的其他相互作用產生的，在日常尺度上相當「頑固」的宏觀物性在引力面前將會「一敗塗地」，遭到徹底改變。

引力的這種主宰作用我們其實早就見識過了，比如在介紹木星時我們就已提到過，像氫那樣的所謂氣體在木星引力產生的巨大壓強作用下可以變為液體，乃至成為「液態金屬」。而所有大型天體共有的接近球形的形狀則從另一個側面告訴我們，在巨大的引力面前，組成大型天體的任何物質本質上都是「軟」的，只能任由引力將之「揉捏」成天然的形狀——球形。知道了這一點，就可以很清楚地推斷出，倘有一個以體積而論容得下土星的「海」，那麼不僅其深處的物態將顯著不同於普通的液態水，而且土星也決不可能浮在「海」上，而是會「融化」到「海」里，兩者共同組成一個接近球形的新天體。這是引力所能允許的唯一結果。

談完了這段插曲，我們正式介紹一下土星。

與木星一樣，土星也是一個氣態巨行星，它的質量約為木星質量的30%（或相當於地球質量的95倍左右），體積約為木星體積的68%（或相當於地球體積的764倍左右），兩個數據都在太陽系已知行星中位居第二。

土星的這兩個數據給我們提出了一個問題，那就是：土星和木星在塊頭上的差別為什麼遠不像質量上的差別那麼懸殊？

這個問題的答案某些讀者或許猜到了，那就是我們在介紹類地行星時曾經提到過的，行星的質量越大，引力就越強，自重造成的壓縮作用也就越顯著。由於氣體的壓縮性遠大於固體，因此雖然氣態巨行星並非整體氣態，自重造成的壓縮作用仍比類地行星的顯著得多。事實上，某些模型計算顯示，氣態巨行星存在一個與元素組成有關，但與總質量幾乎無關的特徵半徑。對於元素組成像土星和木星那樣的氣態巨行星來說，這個特徵半徑約為70000km，很接近木星的平均半徑，這是土星和木星在塊頭上的差別遠不像質量上的差別那麼懸殊的主要原因。

同樣與木星一樣，土星雖是氣態巨行星，其實也只有外層物質才是真正氣態的，無論以相對質量還是相對體積而論，氣態部分實際上都並不大。氣態巨行星跟類地行星的最大不同之一，與其說是氣態與固態之別，不如說是前者不像後者那樣存在一個可以明確指認的固態「表面」，因為氣態巨行星的物質狀態是自外而內漸變的。

具體地說，土星物質自外而內的漸變是這樣的——當然也主要是基於模型分析：表面以下約1000km處，土星物質將由氣態轉變為以液態氫為主的液態。這個深度與木星物質由氣態轉為液態的深度幾乎一樣，這一點可能會讓細心的讀者感到奇怪，因為土星的質量遠小於木星，引力產生的壓強也小於木星，為何物質狀態會在幾乎同樣的深度上由氣態轉為液態呢？

這是因為物質的狀態跟溫度也有密切關係，土星由於離太陽更遠（平均距離約為9.5天文單位，比木星離太陽的5.2天文單位遠了近一倍），相應地，同等深度的殼層內的土星物質的平均溫度要比木星物質的平均溫度更低，從而更容易變成液態，這一因素恰巧抵消了壓強的不足。再往下，在深度約15000km處，液態氫進一步變成了液態金屬氫。而最終，在一個半徑約25000km的核心區域里，聚集了土星物質里的重元素，數量與木星的相比可能略小，但仍比整個地球的質量還大一個數量級左右。

由於離太陽更遠，土星雲層的平均溫度也比相應的木星雲層的平均溫度更低，這種溫度差別產生了一個很顯著的觀測效應，那就是形成了一個幾乎覆蓋整個土星的氨冰構成的高空雲層。這個雲層不僅給了土星一個貌似「文靜」的模樣，而且也是土星那淡黃色基本色調的主要來源。不過，這個貌似「文靜」的模樣純屬表面現象，在它下面的真正的土星大氣運動，是狂暴程度與木星大氣運動相比有過之而無不及的——有時甚至會撕裂氨冰雲層而露出崢嶸。在對土星有些基本了解之後，這一點其實是順理成章的，因為造成木星大氣運動狂暴的主要原因——星體深處的熱量造成的對流以及星體的快速自轉對土星來說也是一個都不缺的。

與木星高度相似，土星向外輻射的能量也比它從太陽吸收的能量更多，且多出的部分也相當顯著（比來自太陽的總能量更多）。與木星不同的是，土星由於引力較弱，不太可能像木星那樣以自身的緩慢收縮作為額外能量的全部來源（雖然那本身也只是假設）。

那麼，土星的額外能量從何而來呢？這個問題在很長一段時間裡難倒了科學家們。假如這個問題得不到正面解決，留給我們的將是一個很糟糕的假設，那就是假設土星遠比太陽系的其他行星更年輕。這個假設之所以會被提出，是因為所有行星在形成之初都處於高溫狀態——因為都是無數次大碰撞的產物，然後慢慢冷卻。土星不夠「冷」的一種顯而易見的可能性就是它形成於不那麼遙遠的過去，從而殘留了更多的大碰撞餘溫。但估算表明，要想用這個假設解釋土星的額外輻射，土星的年齡將只有25億歲——比太陽系其他行星年輕了整整20億年！從目前公認的太陽系演化理論的角度講，這個假設是相當荒謬的。但如果不接受這個荒謬假設，就必須為土星的額外能量找到一種新來源。

到底什麼機制可以為土星的額外能量找到新來源呢？最近科學家們在這方面有可能取得了一些進展，他們提出了一種被稱為「氦雨」（helium rain）的機制。按照這種機制，土星內部的液氦會像下雨一樣落向土星的中心，在下落過程中將引力勢能轉變為熱能。模擬計算顯示，這種機制不僅具有一定的物理可行性，與觀測到的土星額外輻射相比也有不錯的吻合，因而是頗有希望的。有趣的是，這種機制從某種意義上講跟木星的緩慢收縮一樣，也是一種早年曾被用來解釋太陽的能量來源，卻不幸遭到淘汰的機制——當然細節上是完全不同的，因為在後者中落向太陽中心的不是「氦雨」而是隕星。這些在解釋太陽的能量來源時遭到淘汰的機制在行星世界裡浴火重生不是偶然的，宇宙的浩瀚提供了很大的機會，使得很多不違背物理定律的機制都有可能在某個角落裡找到讓自己亮相的舞台。

同樣與木星高度相似，土星也是一個自轉很快的行星。這個太陽系行星里的「千年老二」不僅質量和體積排行「老二」，自轉周期之短也同樣是「老二」——略多於10小時，與木星相近而遠比其他行星的短。由於自轉之快接近木星，密度和引力卻遠低於木星，土星因自轉造成的形變比木星的更為顯著：赤道直徑比兩極直徑長了近12000km（相應的扁率約為9.8%），幾乎相當於地球的直徑。除自轉很快外，土星與木星一樣，也存在「較差自轉」的現象，而且比木星的更顯著，赤道附近區域和兩極附近區域的自轉周期約為10小時14分鐘，與其餘部分相比短了約25分鐘，遠比木星「較差自轉」所涉及的5分鐘來得大，這是土星大氣運動甚至比木星大氣運動更為狂暴的重要原因。

「卡西尼」號拍攝的土星「六邊形」

從細節上講，土星大氣中雖沒有像木星大紅斑那樣引人注目的結構，卻也有自己的「獨門」奇觀：一個位於北極區域的「六邊形」（hexagon）。這個「六邊形」是土星雲層里的一個巨型圖案，邊長將近13800km，以面積而論足可放下地球而綽綽有餘。由於所處位置等因素的影響，這個「六邊形」巨型圖案從地球上直接觀測是比較困難的——雖然在知道其存在之後也並非不能，因此直到20世紀80年代在對「旅行者」系列飛船所拍攝的相片作技術分析時才被發現，此後則分別得到了地球上的直接觀測，以及「卡西尼號」（Cassini）土星探測器所拍攝的照片的證實。

土星上的「六邊形」巨型圖案是如何形成的呢？科學家們也作了探討。在旋轉流體中出現多邊形——尤其是六邊形圖案的本身是算不上神秘的，因為那是實驗室里就能再現的東西（比如桶中的旋轉流體就能產生出那樣的圖案）。但實驗室里的那些多邊形圖案能否用來說明土星上的「六邊形」則是尚無定論的，因為土星雲層的環境跟實驗室里產生多邊形圖案的環境有著不小的差別——比如土星雲層里並不存在「桶」。不過經過很多科學家多年的研究，有些模擬土星雲層環境的計算已經可以得出與土星上的「六邊形」相近的結果，雖不能算一錘定音，卻給了人們很大的希望。

作者簡介：

盧昌海 1971年出生，物理科普作家，軟體工程師。1991 - 1994年就讀於復旦物理系。1994被哥倫比亞大學物理系錄取，在《PhysicalReview Letters》《Physical Review D》等專業雜誌發表四篇論文，於2000年獲博士學位。之後改行從事計算機工作，並從事網站建設和科普文章撰寫。在《現代物理知識》發表八篇高級科普文章，另在《中國青年報》等多家報紙或雜誌發表過科普作品，在清華大學出版社出版科普專著《尋找太陽系的疆界》，對物理和天文方面的中文科普形成較大影響。

本文摘編自盧昌海著《經典行星的故事》（ 責編：楊 凱）第6章，內容有刪減。

（本期編輯：安 靜）

經典行星的故事

盧昌海 著

北京：科學出版社 2017.01

ISBN 978-7-03-050824-9

水星上有水嗎？金星上會下雪嗎？地球是宇宙中的「獨苗」嗎？我們能成為火星人嗎？木星是地球的守護神嗎？土星能浮在水上嗎？《經典行星的故事》以 「行星隨筆」的風格講述太陽系內六大經典行星的故事 , 語言生動風趣，內容嚴謹翔實，使讀者在享受閱讀愉悅的同時體會科學的嚴謹與激動人心，並學到豐富的知識。本書可作為學生的課外讀物，也可供天文愛好者參考。

一起閱讀科學!

專業品質 學術價值

原創好讀 科學品味