伍岳明 （wuyueming001@hotmail.com）　2007.09

在人们的眼中，土星是非常美丽的行星，夜色中有一颗淡黄色的星球发出柔媚动人的光芒，因淡黄色接近泥土的颜色，我国人民称之谓土星，也有称之谓“镇星”，是我国传统文化中的金、木、水、火、土五行中最未位，土星的公转周期为 29.46年，接近我国农历六十年周期的一半。它与调制太阳黑子周期的木星邻近，相信它与我们人类关系也很密切。土星

图9.31美丽的土星光环 ,

也是一颗具有金属氢内核的巨行星，而且自转很快，因此它也有偶极磁场，磁场极性与木星相同，由于土星离太阳平均距离有 9.54天文单位，离木星也有4.34天文单位的距离，因此，它们对土星的金属氢内核的引力很小。虽然，土星的自转赤道面与公转轨道面交角有 26°44′，由于太阳和木星离土星距离遥远，加上土星核的密度很小，故引力很小，因此金属氢

内核自旋形成的偶极磁场，其磁场轴与土星自转轴基本重合。土星磁场强度比地球强，若以土星金属氢核半径为 2.3万公里，氢核密度1.5克/(立方厘米 )计算，则土星极区磁场强度约为1.83高斯，比地球磁场大，但土星偶极场的极性与地磁场相反。

在地球上用望远镜观测土星，便可以看到土星的椭圆体周围，有一个美丽的光环。土星光环在赤道上空环绕，它发出柔和的白色光辉，外形的变化很复杂，有时看到土星光环像缕缕细丝，缠绕在土星之上，有时看到土星光环像巴拿马大草帽，有宽阔洒脱的大帽沿，充满美丽和神奇。这是大自然中一具精美绝伦的艺术珍品。是谁造就出这一艺术珍品呢 ?这是大自然向人们提出的行星环课题。

行星环课题是 20多年前才正式提出的。自 1977年发现天王星环、又先后由航天探测发现木星和海王星环 ,以及土星环的复杂结构以后 ,行星环就成为天文学中的热点课题。传统土星环理论局限在引潮力的洛希 ROCHE极限, 已解释不了近年来用航天技术新探测到的土星F 、G、E环以及环内部的复杂结构；从新探测到的很多窄环和大量卫星看 ,说明洛希ROCHE 极限外有环、极限内也有卫星。

最近，随太空探测的深入 ，使人们又遭遇到一些令人迷惑不解的神秘事情。如：据俄罗斯太空新闻网 04年12 月20 日报道，美国爱荷华大学的堂· 加尔奈特博士日前宣布，卡西尼号探测器搜集到了土星上存在超强闪电的相关数据、又据报道，美国航天局的土星探测飞船“卡西尼”号于 04年6 月30 日进入土星轨道，听到了土星的“歌声”；并从传回地球的第一批土星环照片中，发现了土星环有着非常“锋利”的边缘和独特的波纹；还发现在土星光环里“吐出”大量氧气；另一项令人不解的是，在土星光环的 冰微粒中混合着类似泥土的物质；令人费解的神秘事情越来越多，因此必须拓宽思路、集思广益，建立起新的行星环理论，求得理论与大自然实际相符合。共旋理论试图解释上述疑难问题。

一、土星上的超强闪电来自土星的强大电场

美国爱荷华大学的堂·加尔奈特博士介绍称，早在卡西尼号发射之初，他便记录到了由土星闪电产生的无线电信号。卡西尼号是在距土星 1.61亿公里的地方开始对这些闪电进行监测的。目前收集到的数据显示，土星上的闪电强度差不多是地球上的 100万倍。这一发现让科学家们深感意外，因为土星上闪电的强度远远高于先前的估计。这里要说明的是，地球上闪电的强度大都在 1亿至10亿伏之间。专家们在分析土星上超强闪电的成因时表示，当土星环阴影投射在土星赤道附近细窄的区域时，导致该区域局部大气温度降低，因此会和旁边受阳光照射较高温的大气发生剧烈对流，继而产生大规模、长时间的风暴和闪电。共旋理论认为土星离太阳距离遥远 ,不可能因太阳阴影而造成大气剧烈对流。

共旋理论认为：土星上的超强闪电来自土星的强大电场，是土星的金属氢导体内核，随着土星快速自转，会“共旋起电”，使核面的不同卦面产生不同电荷、形成不同电位；除正负电荷的湮灭（或产生涡电流）产生内部热源外，金属氢（超导体）中活跃的电子电荷会向外扩散、泄漏，使土星成为一个带正电的准静电球体。经计算 土星的金属氢导体内核的起电量达；且共旋起电是与时俱进的，除部分产生内部热源外，大部形成土星周围的强大电场，是该强电场使土星上的闪电强度要比地球的高出几百万倍。卡西尼在远离土星 1.61亿公里的远处，就收到由土星闪电发出的无线电波，而地球闪电的无线电波到了8.92万公里的远方就消失殆尽了。由于土星与周围空间存在强大电场，因此土星光环上的物质是带电的也就不难理解了。

二、土星光环动力学机制探索

从地球上看土星环，似乎是个静止不动的整体结构，但在1859 年麦克斯韦就已经从理论上证明整个的固体或液体环都不能稳定地围绕着土星旋转，它必定是由许多小碎块组成，后来的宇航探测证实这一点，发现了土星的环中有缝、缝中有环的复杂结构，并且离土星近的物质运动得慢，远的反倒运动得快。这显然与天体在引力支配下的作开普勒转动不符 。 因此共旋理论认为除引力外，还应考虑土星的共旋梯力和土星电磁场的洛伦兹力的共同作用。

2.1 共旋梯力 ,其实就是人们认为的非球形摄动力。“共旋”引力波理论认为：一个自旋的星球会从自转轴中心始发出频率与自旋频率相同的引力波 。该引力波, 对土星上空质点作用的引力梯度（单位径向距离的力的大小）是与质点所处的位置（如纬度 、距离等）有关的。指向土星赤道面的分引力梯度会产生一个指向土星赤道面的分力 ,笔者称其为指向赤道面出的共旋梯力,其值为 :；该力使土星上空物质的质点，在指向赤道面的共旋梯力作用下向土星赤道面运动，在地理赤道面上共旋梯力为零，因而最稳定。

2.2 洛伦兹力，共旋理论认为：土星是一个带正电的准静电球体。因带正电荷的星球逆时针旋转，形成的偶极磁场方向与地球磁场相反，它们的磁场极性：其 N极在星球的北极，磁场的磁力线，在星球内部是地理南极指向北极，在星球的外空间是由星球北极指向南极，与自旋方向成右手螺旋 (大拇指指向N 极)关系。由于星球磁场的大小，与星球自转的角速度成正比，土星是一个较快自转的星球，故其磁场强度均很大。星球磁场方向对跟随星球自转大气中的粒子影响很大，带有电子和离子的土星大气在运动中会受到强大的土星电磁场的作用，带电量 ，以速度 运动的带电粒子，受到的洛伦兹力为 ：

；公式中， 为土星的电场强度、 为土星的磁场强度、 为土星磁场的磁纬度。包围土星的大气应带负电荷为主。土星的电磁场对运动带电粒子的作用力既有电场力又有磁场力，土星电场力将带负电的电子吸附在土星周围，而土星的磁场力又将电子从土星周围发散出去。同理，土星电场力将带正电的离子从土星周围发散开去，磁场力又将带有正电荷的离子吸附在磁赤道面的的薄层内（见图 9.31 造就土星光环示意图）。随星球自转的带电粒子土星大气受土星磁场的洛伦兹力作用，随磁纬度的减小而减小。因此在磁赤道面上会聚集大量的带电粒子。在木星赤道面内飞行的“先驱

图 9.31 造就土星光环示意图 图9.32 地球质子环形成机理示意图

者10 号”飞行器证明 ，高能电子流的温度在磁赤道附近很高，但在其他区域则几乎下降到行星际的值。这表明，与木星极性相同的土星磁场，在洛伦兹力的作用下，带正电的离子有一向土星赤道面运动的倾向，会与部分电子结合成各种分子，从而形成直径从 1微米到10 米之间、多数为10 厘米的“微粒”，这些物质 (碎块、冰块) 在土星赤道面上，其受指向赤道面的共旋梯力为零；在磁赤道面上受磁场方向的洛伦兹力也为零，因土星自转轴与磁轴基本重合，故这些固体物质 (碎块、冰块) 在共同赤道面上最为稳定，它们会因有不同质量、不同物质成分和带有不同电量，而分布在不同轨道上。在共旋梯力和洛伦兹力的共同作用下，它们用比土星自旋更快的速度环绕土星竟相奔驰，形成大自然的艺术珍品 —美丽的光环。

在木星和其他类木行星上也应该有光环，但由于木星磁轴与自转轴有一个 10度弱的夹角。木星磁赤道面与自转赤道面不重合，因此木星虽有光环，又薄又暗而且只有靠近木星的轨道上才有。所以直到人类派出的行星探测器时才发现。它是继土星和天王星后第三个被发现的太阳系大行星环。说明有行星环的行星均有一个金属氢核，同时最好是自转轴与磁轴基本重合，这样由磁场的洛伦兹力，引力和共旋梯力等合力形成的行星环就会明显、壮观。

三、探究地球赤道上空的质子环

据 2001年9 月18 日浙江日报登载“人类首次太空物理实验意外发现，在地球赤道上空400 公里处存在质子环”的消息。说明行星环并不是只有类木行星才有的专利。类地行星也有，只不过环又细又薄，依靠人类肉眼没有仪器（阿尔法磁谱仪）是观察不到的。

类地行星的磁场极性与类木行星的磁场极性相反。在类地行星磁场空间运动的质子或离子在洛伦兹力作用下有一个向外发散的倾向，但在磁赤道面上，磁场的垂直分量 (垂直于磁轴) 为零，而磁场的平行分量对质子向一个向外空间运动的洛伦兹力( 见图9.32 造就地球质子环示意图) ，当质子的重力与洛伦兹力达到平衡时，就会停留在赤道面上形成质子环面，但由于地球磁轴与自转轴有一个 11°的夹角，所以上述合力的平衡，只能形成质子细环。据阿尔法磁谱仪显示，在靠近地球的 400公里上空处存在一个围绕地球的质子环中向各个方向飞行的粒子强度相同，处于动态平衡状态。而不是像土星环是合力所向，处在稳定状态。

四、探究土星环的沟槽、氧气及“歌声”

　　随着人类科技水平的提高，特别是各种空间探测获得的成果，对土星环的新发现越来越多。土星环是一个复杂的神奇世界，令人扑朔迷离、趋之若鹜，这给天文学家带来欢乐和苦恼。

2004年 7月3日，从“卡西尼 ”号飞船进入土星轨道后传回地球的第一批土星环照片中，美国宇航局科学家发现了土星盘状圆环有着奇妙的结构。光环显著地分成两个 ——亮而宽的内环、窄而稍暗的外环，中间的黑暗区域叫做卡西尼分界 (CASSINI)。环薄得令人难以置信，直径数十万公里，厚度仅100米。用唱片来形容土星环很形象。它们由几十亿块冰块组成，排列在行星重力轨道内，每一块都是一颗小卫星。密集排列的反光体，从我们地球上看来就成了一张白色唱片，其光芒几乎是星体自身的三倍。处于环内外的小卫星和碎块之间相互吸引，造成了土星环上分布着成千上万的唱片样的沟槽，卡西尼分界是其中最大的一条，主要是由近旁的美马斯卫星 (MIMAS土卫一)重力牵引清扫出的空间所形成。

据《新科学家》网站报道，从“卡西尼”号传回的照片显示土星环主环的边缘异常“锋利”，而此前科学家们认为，由于土星环的冰态粒子互相弹撞，其主环边缘不该如此“锋利”。对这一现象“卡西尼”探测计划成像组组长、土星环专家卡罗琳 ·波尔科解释说，土星卫星的影响只能部分解释这种情况，一定还有某种未知机理造成了这种现象。

传回的照片同时还显示土星环内有粒子聚集成簇，但这一现象尚无法解释。波尔科说，没有人预言过会有这种现象，“也许有某些过程正在进行，造成粒子的聚集”。

更令人不解的是：在土星光环里还会吐出大量氧气，这简直是一个谜。美国加利福尼亚喷气推进实验所 (JPL)的科学家、“卡西尼”任务计划负责人之一琳达·斯皮尔科在喷气推进实验室的新闻简报上说：“飞船的状况非常好，所有的工具和仪器都运作良好。”来自南加利福尼亚大学的卡西尼紫外成像光谱摄制仪分析家唐纳德 ·谢曼斯基也说，正在接近土星的仪器发现有大量的氧气涌入土星的 E环里。谢曼斯基认为，大量出现的氧气似乎是一月份下半个月里产生的，可是这么多氧气到底从哪里来的却是个谜。他推测说，可能是土星的磁气圈和等离子能量在起作用。

美国航天局的土星探测飞船卡西尼听到了土星的“歌声”，这是土星自转时经受太阳风的敲击，并与土星磁场发生作用后而产生的声响。最近，美国艾奥瓦大学天文物理学家唐 ·古内特公布了这些声响，这些声响是由安放在卡西尼飞船上的“无线电和等离子波科学测量仪”测定的。

原先人们总以为土星环形成是一颗经过的普星或小行星的崩解而形成了环。基于牛顿力学的目前的天体物理学肯定解释不了上述现象。而用共旋起电的天体物理学均能可迎刃而解。如土星主环边缘“锋利”问题，是土星电磁场的洛伦兹力作用造成的，如同中学的磁铁吸引铁屑的磁力线实验那样直观。关于土星光环里“吐出”氧气、听到土星的“歌声”问题，共旋起电理论认为是土星的牛顿引力与土星电磁场的洛伦兹力共同作用造成的。

我们知道，地球表面的重力加速度为： ，经计算土星表面的重力加速度比地球稍大，其值为： 。在土星的E环区域，土星上空的氧离子与电子结合成氧分子，氧离子受土星电磁场的洛伦兹力作用不断向土星赤道面运动，该区域是氧离子受土星电磁场的洛伦兹力作用与受土星引力相平衡的区域，氧离子不断与电子结合成氧分子，好比土星光环里“吐出”氧气似的。

关于安放在卡西尼飞船上的“无线电和等离子波科学测量仪” 听到土星的“歌声”问题。其机理与木星上的木卫一电子的拉摩运动产生 10米波的回旋辐射一样（见上节的“木星上射电辐射成因探究”一段）。其回旋辐射频率也可用计算公式： ；定量计算，式中带电粒子的质量和电量不一定是电子，而是其他；计算所得的回旋辐射频率在音频范围故能听到土星的“歌声”。

四、气象万千的土卫六世界

土星的光环平面在土星的赤道面内，与土星的公转轨道面成 26度44分的倾角，而且该平面方向在绕太阳公转中保持不变，所以在土星一个公转周期内，光环平面的南面和北面将轮流地朝向太阳和地球。所以我们地球人看到的光环时宽时窄， 2004年12月17日，是地球距土星最近的一天，北半球的观测者得到最佳的土星观测条件。通过简单的 30倍望远镜，我们会容易地看到更壮观的光环奇景。天啊！多给些晴朗的星空吧，让土星光环向观星者展放最美的光辉。观察季节将持续到明年早春。在此之后土星将下沉到较低位置，光环将变窄，并日渐远去。然后将是等待这位光环拥有者再次驾临的另一个 30年。

土星除了有一个绝妙的光环以外，它还有庞大的卫星群，目前已发现土星的卫星共有 23颗。占太阳系卫星总数的 47%，成为太阳系中卫星最多的一颗行星。土星卫星最早的发现者是卡西尼， 1655年3 月25 日，首先发现了土卫六。以后陆续增多，赫歇尔在1789 年8月用自制122厘米的大望远镜，又发现了土卫一和土卫二。继“先驱者号”和“旋行者号”直到今天的“ 惠更斯号” 探测的结果，使土星的卫星发现越来越多。

土星的许多卫星在望远镜中，仅仅是个小亮点，有的还看不到。当飞船探测时，拍下了大量彩色照片，使人们大开眼界。在许多卫星上有平原、有山岭、有峡谷和环形山，真可谓千奇百怪（见图 9.33 距离土卫六表面约 10英里高空拍到的土卫六照片 ） 。

共旋理论认为土星的大卫星是由土星起源时共旋起电的电斥力抛射形成的。土星卫星群中，最大的卫星是土卫六，也是如此，它的直径约为 4828千米，仅比木卫三略小一些，是太阳系中第二颗大卫星，比水星和冥王星还要大。土卫六被称为神秘奇特的天体。在旅行者飞船飞掠土卫六上空时，看到它是一颗被桔黄色云雾笼罩的卫星。也就是说土卫六上有很厚的一层大气层和云层，天空呈暗红色，偶然洒下几点夹杂着碳氢化合物的氮雨，尽管惠更斯

图 9.33 距离土卫六表面约 10英里高空拍到的土卫六照片

发现土卫六至今已有300多年了，但至今还没有能看到它的表面风光。

据美国宇航局网站报道，前几天刚刚进入土星轨道的卡西尼宇宙飞船不负重望，已经发回了许多新的数据，搭载卡西尼宇宙飞船的“惠更斯号”探测器，历经七年太空旅程在距离土卫六表面约 10英里高空拍到的土卫六照片，终于将它看到的世界传回了地球。当第一桢照片出现在美国喷气实验室和欧洲宇航局中控中心科学家们的电脑屏幕上时，已经等了整整七年的科学家们眼里含满了泪水：这是土卫六的世界，这是距离地球 35亿公里外的另一个星际的世界，而且还是一个河川的世界！

从“惠更斯号”发回的第一批黑白照片来看，它即将降落的地区表面上分布着众多蛇形暗色的曲线。负责研发“惠更斯号”探测器的美国图森亚利桑那大学太阳与星际实验室主任马蒂 •托马斯科告诉记者说：“这一切显然是液状物奔腾过土卫六表面留下的痕迹。看样子，所有的液状物都流入了照片右侧的黑影区。整个画面看起来就象是一条河的冲击洲，它可能会是液态的沼气，或者是能产生浓雾的碳氢化合物。”欧洲宇航局任务控制中心主任迪亚兹看着屏幕上那非同寻常的照片兴奋地说：“当太阳系的秘密一点点地被揭开的时候，大家都会无比地振奋，因为它改变了我们之前公认的太阳系中的多数星球是死寂的看法，看到一个如何生动活跃的行星确实令人非常感兴趣。”这是太阳系中人类找到的有液体物星球的第二个，先是地球，现在是土卫六。

土卫六上的大气主要由氮组成，约占 98%，此外还有甲烷，约占1%，少量的乙烷、乙烯、乙炔和氢等，总共不到 1%。大气层厚度达2700千米。探测大气温度很低，在零下 200℃，大气压也很低。在低温大气压下，大气中的氮呈液态，在土卫六表面形成美丽的液氮的海洋。目前认为土卫六表层黑暗寒冷有着坚硬的岩石层，在它的上面覆盖着一层很厚的冰层和固体有机物的混合体，表面温度很低，为 -148℃。由于土卫六是已知卫星中唯一有大气的卫星，并且发现在土卫六云层的顶端存在着与生命有关的分子，这引起科学家的极大关注。以至有人认为，土卫六上有生命存在。但共旋理论却认为土卫六上不可能有生命。因为经探测表明，土卫六上没有磁场，或者说没有维持生命存在的电磁场，这是生物电的基础，土卫六上更没有磁极的倒转，更谈不上生命的进化。地球人是经过几十亿年的修炼，历尽磨难，从人类基因图譜也反映出，从单细胞进化到人缺少不了磁极的倒转，共旋理论又认为磁极的倒转的功臣是地球的卫星 —月球，土卫六没有这个条件。

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