土星光環正在快速消失，請珍惜它現在的樣子

美國國家航空航天局（NASA）的一項新研究確認，土星正在失去自己標誌性的光環，速度達到此前預測的最大值。在引力和磁場的共同作用下，土星環的冰物質顆粒以塵埃雨的形式落入土星。

藝術合成圖展示了一百萬年后土星光環的樣子。內側的環將漸漸消失，以降雨的形式落入土星，外側的環隨後緩慢消失。| 圖片來源：NASA/Cassini/James O"Donoghue

撰文 Bill Steigerwald，Nancy Jones

翻譯 阿金

審校 戚譯引

「我們估算這場『土星環雨』消耗的水量可以在半小時內填滿一個奧運會專用游泳池，」NASA 戈達德太空飛行中心（Goddard Space Flight Center）的詹姆斯·奧·多諾霍（James O』Donoghue）說，「單從這一點來講，整個土星環系統將會在 3 億年內消失殆盡。然而，再加上卡西尼號探測到的落入土星赤道區域的土星環物質，估計土星環撐不過 1 億年。與土星超過 40 億年的年齡相比，這個時間其實很短暫。」 奧·多諾霍作為第一作者，於 2018 年 12 月 17 日在《伊卡洛斯》（Icarus）期刊上發表了一篇關於土星環雨的論文。

這是卡西尼號在 2016 年 4 月 25 日掃描土星與土星環時拍下的圖片。卡西尼號使用廣角鏡頭，距離土星約 300 萬公里，與土星環面形成 30 度角。圖片來源：NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

長久以來，科學家想了解土星是一形成就帶著土星環，還是後來才得到了它。新研究支持後一種說法，它表明土星環的歷史不可能超過 1 億年，因為假設 C 環曾經擁有和 B 環一樣的密度，那麼它要演變成今天的狀態就需要 1 億年的時間。「我們很幸運，能看清正值『中年』的土星環系統。然而，如果土星環只是一時存在，那麼也許我們恰好與木星、天王星和海王星的巨型星環系統失之交臂，它們如今只剩下薄薄一層！」 奧·多諾霍補充道。

關於土星環的起源，科學家提出了各種理論。如果土星形成後才擁有了土星環，那麼這些環應該是由那些圍繞土星運行的小型冰凍衛星碰撞形成，而碰撞的原因可能是它們的運行軌道受到路過的小行星或彗星引力牽引干擾。

暗示土星環雨存在的第一批證據來自旅行者號（Voyager）的觀測，那是一些看似毫不相關的現象：土星上層帶電大氣層（電離層）的特殊變化，土星環密度的變化，以及環繞星球北半球中緯的三條狹窄暗帶。1981 年，旅行者 2 號在執行探測任務時拍攝下土星模糊的上層大氣層（平流層）照片，其中便出現了這些暗帶。

1986 年，戈達德中心的傑克·康納內（Jack Connerney）在《地球物理研究快報》（Geophysical Research Letters）上發表了一篇論文，將這些狹窄暗帶和土星巨型磁場形狀聯繫在一起，並提出，來自土星環的帶電冰凍顆粒順著不可見的磁場線向下流動，將水傾瀉到土星上層大氣層，也就是土星磁場線出發的地方。來自土星環的水流出現在特定緯度，沖走了平流層的霧霾，大大減少了反射的光線，由此產生了旅行者號圖片中捕捉到的狹窄暗帶。

土星環大部分是水冰塊，大小從微小的塵埃粒到直徑幾米的大塊頭不等。土星的引力將土星環拉向星球內，而土星環的軌道速度要將它們拋向外太空，這兩種力相互平衡。微小的顆粒會帶電，電荷或來自太陽的紫外線光，或來自環內微小流星體碰撞產生的等離子云。帶電顆粒會感應到土星磁場的拉力，在土星環的位置磁場向內彎曲。在環的某些部分，粒子一旦帶上電荷，前面提到的兩種力之間的平衡就被破壞，土星引力將這些顆粒沿著磁場線吸引入上層大氣層。

進入大氣層後，冰凍的環顆粒汽化，水和土星電離層發生化學反應。這些反應的結果之一就是延長帶電粒子H3 離子的壽命，這種粒子由三個質子和兩個電子組成。受到陽光激發後，H3 離子發出紅外光，奧·多諾霍的團隊使用凱克天文台（W. M. Keck Observatory，位於夏威夷的莫納克亞）的特殊儀器觀測了到這些紅外光。

他們的觀測表明，在土星南北半球，磁場線與土星環平面交匯的地方出現了發光帶。他們對此進行分析，確定了來自土星環的降雨量，以及這種現象對土星電離層的影響。他們發現降雨量完美符合康納內和同事們三十多年前預測的高得嚇人的數值，其中南部的一個區域承受了大部分雨水。

研究團隊還在南半球更高維度地區發現一條發光帶，這裡是土星磁場與土衛二（Enceladus）軌道交匯的地方。土衛二是一顆地質活動活躍的衛星，會間歇性地向太空噴射水冰顆粒，其中一些顆粒會以雨的形式落入土星。「這並不完全出人意料，」康納內說，「基於旅行者號拍攝的舊照片中的另一條狹窄暗帶，我們確認土衛二和 E 環都是豐富的水源。」2005 年卡西尼首次觀測到土衛二的間歇性噴射，被認為來自它冰凍表面下的液態水海洋。土衛二的地質活動和液態水海洋讓它成為了最有希望發現地外生命的地方。

漂浮在土星環前的土衛二及其小衛星潘多拉。圖片來源: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

接下來，研究團隊還想看看土星環雨如何隨著土星的四季變化。土星每 29.4 個地球年環繞太陽一周，在繞行期間，土星環會以不同的傾角暴露在陽光中。既然來自太陽的紫外線讓冰顆粒帶電，進而對土星磁場作出反應，不同的陽光暴露程度應該會改變星環雨的雨量。

該研究受到 NASA 和 NASA 戈達德博士後項目的資助，由全美大學天文學研究協會（Universities Space Research Association）管理。W.M.凱克天文台是加州理工學院、加州大學和NASA的科學合作夥伴，凱克檔案中可獲取以文件形式儲存的數據。作者們還希望強調莫納克亞山在夏威夷土著社區中的重要文化作用和受到的崇拜；他們很幸運能夠在這座山上進行觀察。

論文信息

【標題】Observations of the chemical and thermal response of 『ring rain』 on Saturn』s ionosphere

【作者】James O』Donoghuea，Luke MoorebJack Connerney， Henrik Melind ，Tom Stallardd，Steve Millere， Kevin H.Bainesf

【DOI】10.1016/j.icarus.2018.10.027

【期刊】Icarus

【時間】2018.11.06

【摘要】In this study we performed a new analysis of ground-based observations that were taken on 17 April 2011 using the 10-metre Keck telescope on Mauna Kea, Hawaii. Emissions from H a major ion in Saturn』s ionosphere, were previously analyzed from these observations, indicating that peaks in emission at specific latitudes were consistent with an influx of charged water products from the rings known as 『ring rain』. Subsequent modeling showed that these peaks in emission are best explained by an increase in H density, rather than in column-averaged H temperatures, as a local reduction in electron density (due to charge exchange with water) lengthens the lifetime of H. However, what has been missing until now is a direct derivation of the H parameters temperature, density and radiative cooling rates, which are required to confirm and expand on existing models and theory. Here we present measurements of these H parameters for the first time in the non-auroral regions of Saturn, using two H lines, Q(1,0) and R(2,2). We confirm that H density is enhanced near the expected 『ring rain』 planetocentric latitudes near 45°N and 39°S. A low H density near 31°S, an expected prodigious source of water, may indicate that the rings are 『overflowing』 material into the planet such that H destruction by charge-exchange with incoming neutrals outweighs its lengthened lifetime due to the aforementioned reduction in electron density. Derived H temperatures were low while the density was high at 39°S, potentially indicating that the ionosphere is most affected by ring rain in the deep ionosphere. Saturn』s moon Enceladus, a known water source, is connected with a dense region of H centered on 62°S, perhaps indicating that charged water from Enceladus is draining into Saturn』s southern mid-latitudes. We estimated the water product influx using previous modeling results, finding that 432 - 2870 kg s of water delivered to Saturn』s mid-latitudes is sufficient to explain the observed H densities. Assuming that our Saturn northern Spring measurement represents all seasons, and that the rings are able to reorganize over time, the ring rain mechanism alone will drain Saturn』s rings to the planet in 292 million years.

【鏈接】https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0019103518302999#

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