簡介：土星是一顆多層氣體巨星，科學(xué)家通過觀察其射電頻率模式來確定自轉(zhuǎn)周期，但由于土星結(jié)構(gòu)復(fù)雜，我們只能測量其上層大氣的旋轉(zhuǎn)周期。有學(xué)者通過模型模擬發(fā)現(xiàn)土星自轉(zhuǎn)周期變化的原因是其大氣層外緣等離子區(qū)的阻力。

對于一個(gè)巖石行星來說，找到一天的長度可以很簡單。只要選擇一個(gè)參考點(diǎn)，觀察它從視野中旋轉(zhuǎn)出去，然后再回到視野中需要多長時(shí)間。但是對于像土星這樣的行星，就沒那么簡單了。這沒有表面特征可以追蹤。

科學(xué)家們已經(jīng)花了幾十年時(shí)間試圖確定土星的旋轉(zhuǎn)周期。但是這個(gè)氣體巨人一直不愿意透露它的秘密。AGU《地球物理研究》雜志上的空間物理學(xué)板塊的一項(xiàng)新研究可能終于有了答案。這項(xiàng)研究的題目是 “土星的多重可變周期性：熱層-電離層-磁層耦合的雙飛輪模型”。

對于像地球這樣的行星，當(dāng)我們測量旋轉(zhuǎn)周期時(shí)，我們知道我們正在測量什么。我們正在測量行星的表面。但是對于一個(gè)氣體巨行星來說，事情就比較復(fù)雜了。科學(xué)家們實(shí)際上是在談?wù)撔行堑哪囊粚幽兀?/p>

土星是一個(gè)多層次的氣體巨行星，可能有一個(gè)巖石核心。這個(gè)核心被一層冰所包圍，然后是金屬氫和氦。然后是一個(gè)氦雨區(qū)，進(jìn)一步被一個(gè)液態(tài)氫區(qū)所包圍。然后是一大片氣態(tài)氫的區(qū)域。土星的高層大氣由三層組成：頂部是氨云，下面是硫化氫銨，再下面是水蒸氣云。

土星的比例圖顯示了土星結(jié)構(gòu)的一些細(xì)節(jié)。圖片來源: Kelvinsong-Own work，CC BY-SA 3.0, （圖片說明）

當(dāng)科學(xué)家們談?wù)撏列堑男D(zhuǎn)周期時(shí)，他們談?wù)摰氖歉邔哟髿?。這是這個(gè)星球上唯一可以真正測量的部分。

科學(xué)家們通過觀察一個(gè)巨大的氣體發(fā)出的無線電頻率模式來確定其一天的時(shí)間長度。土星的困難在于它只發(fā)出低頻的無線電模式，而地球的大氣層會阻擋這些模式。這與木星形成鮮明對比，木星發(fā)射的高頻率模式可以穿過地球的大氣層。正因?yàn)槿绱?，在航天器出現(xiàn)之前，科學(xué)家們就能夠計(jì)算出木星的旋轉(zhuǎn)周期。

直到等到1980年和1981年，旅行者1號和旅行者2號訪問土星并收集數(shù)據(jù)。當(dāng)時(shí)，他們測量的旋轉(zhuǎn)周期為10小時(shí)40分。那是當(dāng)時(shí)最好的測量結(jié)果，而且它堅(jiān)持了下來。二十年來。

但后來卡西尼造訪了土星，并花了13年時(shí)間研究它及其衛(wèi)星。天文學(xué)家們驚奇地發(fā)現(xiàn)土星的自轉(zhuǎn)周期已經(jīng)改變?？ㄎ髂崽柕臄?shù)據(jù)顯示，在旅行者號和卡西尼號之間的20年里，一天的長度發(fā)生了變化。

“在2004年左右，我們看到周期改變了6分鐘，大約1% ?！?/p>

阿拉巴馬州伯明翰南部學(xué)院的杜恩龐蒂亞斯，研究合著者。

卡西尼號顯示，轉(zhuǎn)動周期改變了6分鐘，約1% 。

“大約在2004年，我們看到周期改變了6分鐘，大約1% ,”阿拉巴馬州伯明翰南部學(xué)院的杜恩龐蒂亞斯說，他是這項(xiàng)新研究的合著者。“很長一段時(shí)間，我都認(rèn)為數(shù)據(jù)解讀有問題,”龐蒂亞斯回憶道?！斑@是不可能的。”

在如此短的時(shí)間內(nèi)，整個(gè)行星是如何改變其自轉(zhuǎn)周期的？如此巨大的變化應(yīng)該需要數(shù)億年的時(shí)間才能發(fā)生。但還有更多發(fā)現(xiàn)：卡西尼號還測量了電磁模式，顯示出南北半球有不同的自轉(zhuǎn)周期。

土星的季節(jié)變化

龐蒂亞斯和其他作者想要了解發(fā)生了什么，以及為什么在測量中有差異。假設(shè)卡西尼號的數(shù)據(jù)被正確理解，那么這種變化以及半球之間的差異一定是有原因的。他們決定將土星與其最近的兄弟——木星進(jìn)行比較。

土星有一個(gè)特點(diǎn)就是季節(jié)。土星的軸向傾斜幾乎為27度，與地球的23度傾斜相似。木星只有3度傾斜。就像地球一樣，土星的南北半球在圍繞太陽運(yùn)行時(shí)，也會接收到不同數(shù)量的能量。

太陽系8顆行星的傾斜和旋轉(zhuǎn)。

在土星大氣層的外緣有一個(gè)等離子區(qū)。龐蒂亞斯和其他作者認(rèn)為，通過季節(jié)到達(dá)半球的不同數(shù)量的紫外線能量與等離子體相互作用。在他們開發(fā)的模型中，紫外線的變化影響著等離子體，在等離子體和外層大氣的交匯處產(chǎn)生或多或少的阻力。

阻力決定了大氣的旋轉(zhuǎn)，正如無線電波輻射所顯示的那樣，旋轉(zhuǎn)隨著我們觀察的季節(jié)而變化。

一個(gè)關(guān)于土星大氣層的北半球和南半球以及磁層等離子體可能發(fā)生的情況的機(jī)械模擬模型，以產(chǎn)生關(guān)于土星旋轉(zhuǎn)速度有多快的誤導(dǎo)信號?！皠x車”是等離子體在離地球更遠(yuǎn)的地方飛行時(shí)的減速，就像旋轉(zhuǎn)舞者的手臂在伸展時(shí)比緊貼身體時(shí)移動得更慢一樣。圖片來源: e. l. Brooks，E. al，2019，JGR: Space Physics。（

來自等離子體的阻力減慢了旋轉(zhuǎn)，使我們有了由無線電發(fā)射信號顯示的旋轉(zhuǎn)周期。隨著季節(jié)的變化，等離子體的阻力也在變化，無線電波的輻射也在變化。由于沒有固定的表面特征，科學(xué)家們再次利用無線電輻射來測量土星的旋轉(zhuǎn)周期。

這個(gè)由龐蒂亞斯和他的同事們發(fā)展的模型解釋了在旅行者號和卡西尼號之間的20年間觀察到的旋轉(zhuǎn)變化。不過，這種測量方法只適用于土星的表層。巖石核心的質(zhì)量是地球的9-22倍，隱藏在數(shù)萬公里的大氣層之下，神秘莫測。

BY:?Evan Gough

FY:?Charlene

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