探测器列传：39.最后的任务
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了解科学 爱上科学 欢迎收听科学时评话咱们上文书介绍了土星的一大堆奇葩的卫星那这次咱们就该讲讲土星本身了相对来讲这颗气态巨行星显得有点单调无聊这木星它好歹花纹还比较明显 还比较好看这个土星的花纹就显得比较浅

因为啊这个气态巨行星它完全是由流体构成的流体相对来讲呢它比较均匀啊它不像地球这种岩石行星有地形地貌土星这家伙的完全没有不过呢这个土星大气层啊它也不是一成不变的它时不时呢就有点奇特现象发生比如说啊周期性的风暴大白斑

经过历代天文学家的观测记录以及哈勃望远镜卡西尼探测器等等一系列的观察最后发现这大白斑一共被观测到六次都出现在了土星的北半球

大家发现大白湾是有周期性的这个周期大约是 28.5 年每次出现这东西的直径都能增长到好几千公里甚至上万公里出现以后还会沿着纬度线方向被拉扯成长长的环带甚至会环绕土星一整圈这种现象最早是在 1876 年由阿萨夫霍尔观测到的他也是火星的两颗卫星的发现者

当然了因为当时的望远镜技术也不太行它只是观测到这个土星上出现了一个白点而已即便是后来像哈勃太空望远镜啊观察到的细节也不是特别多这个旅行者号探测器呢拍摄了一堆照片但是分辨率不是特别高

到卡西尼号探测器哎呀那就属于进水楼台仙德月了它正好碰上了一次看的那点一个清楚现在科学家们推测这个大白斑就是一种大气雷暴现象 2012 年卡西尼号就恰好碰上了一次大白斑的出现伴随而来的就是非常强的无线电波辐射高峰期达到了每秒钟 10 次

说白了就是下面这大白斑呢正在那打雷呢在那打闪呢当然就会产生大量的无线电噪音

一开始这个雷暴的直径是 2500 公里那很快就扩散到了 1.7 万公里而且还沿着纬度线扯成一个长条直到环绕整个纬度带土星大气的主要成分是氢气和氦气水蒸气 氨气这种成分相对来讲是比较重的它会汇聚在大气层的下边

而且土星上也是有热对流的底层的暖空气会上升到了高空以后会逐渐的散热随着温度的降低逐渐冷却它的密度会变得越来越大最后会逐渐下落把下层的暖湿空气就给搅和出来了于是就形成了雷雨云

当然了土星上的暖湿空气之中的水分不是大头氨气才是大头达到了 55%水冰占了 22%硫化氢氨占了 23%这个水冰是从 200 公里深的地方被强对流给翻出来的因为土星这种巨型气体球它的大气规模太大了它高达到

它高层的氢氦这种气体它要充分冷却冷凝它要花非常长的时间大概要 30 多年才能达到上边的密度比下边的暖室空气的密度还要大才会产生这种上下密度颠倒的情况才会出现强对流所以呢这大白斑才会周期性出现隔 30 年就来一回每次都要好几个月才消退

当然了这属于比较慢的有些风暴就是来得快去得快了比如说在土星的南半球发现了一个龙风暴这个风暴只持续了几个礼拜卡西尼号也在无线电频段接收到了大量噼里啪啦的雷暴信号

这个土星啊它在不断的自转每次雷暴出现在地平线上了啊这个晒到太阳了那这大雷就停了它就没动静了等到转到背阴面这太阳下山了这电闪雷鸣它又来了大家就奇怪啊你这东西还怕光啊你这是啊这见光死啊你这都赶上吸血鬼了这个怎么一晒太阳就停啊所以到现在科学家们也不明白这到底是怎么回事

不过呢这些大气现象啊它不是经常出现偶尔让你逮着一回那也就逮着了如果逮不着呢那你就没得看了所以呢令科学家们最着迷观察最多的也是土星北极的那个六边形环形结构这个六边形啊出现在了土星的北纬 78 度附近它非常大这个六边形每条边的长度是 1.45 万公里

你想吧它是六边形嘛它直径是边长的两倍嘛大概是 2.9 万到 3 万公里吧这么大的一个尺寸你把地球塞进去都不够添压缝呢想当年呢旅行者二号拍摄了大量的照片发送了大量的资料到了 1987 年科学家们就从这些资料之中挖出了这个六边形的结构再后来呢大家就用地面的望远镜进行了确认哦没错啊这个土星的北极的确有这么个玩意儿存在

而且呢这个六边形现在也就成了业余天文摄影爱好者水平的一个标杆了你能不能把这东西拍出来那这次的卡西尼号任务呢就算对这个六边形进行了一次近距离观察从旅行者号拍摄照片的 1981 年到今天这个六边形结构已经存在了 43 年了这个结构非常非常稳定

尽管呢这个卡西尼号发现呢它颜色发生过变化开始是蓝的后来就变黄了但是这六边形的始终存在

为什么土星北极的大气环流会出现这种非常规则的几何图形呢这个问题就一直困扰着广大科学家大家可能在地理课上都学到过地球上的这个大气环流啊地球上的大气环流它也是分层的咱们也学到过什么极地东风带了什么西风带了可能大家也都知道高空极流听过我气象学史的小伙伴们应该还记得有一个名词叫做螺丝被拨大家可以去回翻回来听听啊

反正呢是在理想情况下极地东风带和西风带的界线应该是沿着纬度线形成的一个圈但是地球可不是什么理想的均匀球体气流的对流啊它总会受到各种各样的干扰所以呢极地东风带和西风带的边界就会出现周期性扭动因此这道边界线就被扭成了一个多边形你叫它齿轮呢也是可以的

咱们地球不太均匀它有陆地有海洋这陆地的形状还不太规则所以多边形的形状它也有点不规则大体来讲是有规律的它扭动也有相对的固定波长这是一个普遍现象所以叫做罗斯贝波就是以发现这个波的原理的人来命名的不管是在土星上还是木星上它也都存在

那木星的颜色花纹非常明显大家可以去网上把那个木星的那个照片翻出来看看啊你看它一层一层的环带的边界线呢都不是老老实实贴着纬斗线走的都是扭来扭去的都是有花纹的甚至扭成麻花的也不少

因为啊这个大气环流它是一个闭合的环这个罗斯贝波导致的扭来扭去呢它也是个整数周期这背后的物理学原理呢叫注波啊这个我以前讲过啊大家可以去回忆一下巧了这个土星北极周围这一圈啊

它这个注波刚好是个 6 也就变成了六边形这个六边形其实就是一道高空急流和地球上各个风带之间的高空急流是一回事因为土星它纯粹就是一个由流体构成的球它没有陆地上的高山峡谷的干扰它特别均匀因此北极附近的这个多边形环带就显得比较稳定它外观就长得比较规则

科学家们用旋转的水槽进行了模拟就发现在旋转速度比较快的情况下这个北极地区是可以出现多边形结构的从三角形到八边形都有就看你旋转速度如何了反正六边形的这个效果已经在实验室里复现成功了它是可以做实验试出来的

卡西尼号探测器就用多个波段的照相机对这个六边形结构进行了大量的拍摄这个六边形结构的中心存在一个持续稳定的风暴这个风暴底部的速度达到了 360 公里每小时这是一个相当快的速度

其实呢我们仔细去看这个照片啊六边形内部的结构非常复杂经常是个大旋风带动周围一圈小旋风然后就层层叠叠的像齿轮传动一样一个带着一个转这旋风之间还互相挤来挤去但是整体它就维持住了一个六边形的轮廓说白了这个土星内部肯定是有源源不断的能量输出在驱动这个风暴旋转嘛

这土星是个流体嘛它内部的旋转对流也是非常复杂的和木星类似这个土星的核心呢也是存在着导电的金属氢这些金属氢的对流就产生了磁场

这个土星的磁场也是一个基本对称的欧极场它是分南北极的但是它的强度呢只有木星的二十分之一但却是地球的二十倍说白了地球这点磁场在太阳系里真的是不够看的

咱们这个地球的自转轴啊和磁轴是不一致的它呈现出了 11 度的夹角也就是说指南针指的可不是正南正北但是土星的磁轴和自转轴的夹角是 0.01 度它几乎就是重合的所以呢你有机会上土星你拿着指南针指的就是真的南北啊

不过呢土星的自转轴和它的磁轴虽然方向是贴的一模一样但是它的中心点还是有点小误差所以它的磁赤道比几何赤道向北偏移了 2800 公里

因为呢土星内部的对流情况非常复杂还有存在一些小尺度的磁场结构也就是说它内部的发电机啊还都不止一个所以我们就可以通过磁场的分布来对这个土星内部的对流进行研究咱们地球呢存在一个范埃伦辐射带这个土星呢也有而且它那个范埃伦辐射带要比地球强多了

因为土星环的存在最内层的那个地环和土星表面之间呢它也有电磁作用就导致在土星的赤道上也有一个非常小的辐射带这贴着赤道的这个辐射带是地球所没有的土星环的成分呢 95%是水冰最大的好几米最小的纳米级尘埃这个土星环呢也包含一些气体主要是氢和氦

这个尘埃粒子它在不断的相互碰撞它会失去速度这些物质最后都会落到土星上成为所谓的光环雨根据卡西尼号的探测数据再过一亿年这个土星光环就会消失殆尽这比过去科学家们的计算快了不少也就是说这个土星环它并不是永远存在的它也是有生有死的

这么说吧这个土星环是咱们太阳系最美丽的天体结构之一可以说除了地球上的生命景观以外那就属土星环是最漂亮了你要是失去这个美丽的光环土星就变鸭蛋了它就会显得相当平庸没什么特色既然这个环是有生有死的那它是怎么诞生的呢这的确是一个好问题

那现在啊大家公认这土星环肯定是来自于一颗小天体这个小天体主要是由冰组成的它被土星巨大的引了一个扯碎了啊这个叫洛西极限嘛是吧你越界了就麻烦了反正最后就留下了这么一个反光率极高晶莹剔透的土星环那么

被土星扯碎的到底是谁呢到底是一颗过路客还是一颗本家的卫星呢这个问题啊就对研究土星环的起源至关重要

咱们太阳系早期啊它不是这副岁月静好的样子那是一个相当恐怖的世界这太阳系早期存在一个叫做后期重轰炸期的时代那个时候呢大哥二哥不学好吗就是这个土星和木星恰好形成了轨道共振这个木星转两圈土星刚好转一圈这大哥二哥就合伙把小型形态搅得天翻地覆拿无数砖头瓦块到处乱扔

当然大部分都扔到海防星外了嘛少部分扔错方向了那奔着内太阳系就来了结果就把地球和月亮砸成了乌亚青但是好处是给地球上带来了大量的水本来呢咱们内太阳系是相当干燥的

同样啊这个到处乱飞的小行星它又不长眼呢它有一颗小行星就路过了土星的这个引力范围它路过了这个洛西极限结果进来以后就被给扯碎了于是就变成了土星的光环如果按照这个解释那么土星环就应该是相当古老的

毕竟这个后期重轰炸期发生在太阳系诞生以后的七亿年那会儿还早着呢可是下一个问题就来了按理说呀光环里边这小颗粒小冰晶啊它是会逐渐老化的要么就是沾上尘埃了它变脏了要么就是被紫外线辐射导致啊这个颜色发黑

如果这个环真的是后期重轰炸机那会儿形成的那会儿到现在差不多有 40 亿年了那这个环它就不可能长得现在这么干净啊这么晶莹剔透啊如果按照现在土星环的清洁程度来判断的话这个环的年龄称死了只有 10 亿年科学家们估算呢应该就是在 10 亿年到 1 亿年之间倾向于 1 亿年

另外呢这个光环和土星的轨道之间呈现出了 27 度的夹角如果是一颗小行星啊遥远的小行星奔着这个土星就来了那么它的轨道平面应该和这个土星的轨道平面差不多几乎一致了即便它被扯碎了这个环呢也应该是贴在土星的轨道平面上而不是呈现现在的 27 度倾角

而且呢问题是过了后期重轰炸期以后整个太阳系里边就比较和谐有序了都不是天天费砖头啊所以呢你扯碎一个外来户的概率就很小

最大的可能就是你扯碎了自己家的家人所以呢又有一批科学家提出了另外一个理论那就是土星环实际上是来自于土星自己的一颗卫星大约就是在一亿多年前那会儿恐龙还活着呢那会儿恐龙要有望远镜的话他看土星应该是没有这个光环的瞧了

这个土星有几颗卫星它轨道比较接近它互相靠近的时候因为引力作用这俩撞了撞了以后就碎了然后就变成了土星环

咱们上嘴皮碰下嘴皮这么说是非常简单的其实这个过程很复杂因为如果卫星发生了碰撞有可能一部分物质被抛洒出去形成了光环另一部分物质它是要汇聚在一起的它会形成新的卫星这种分分合合的过程有可能经历了好几次是非常复杂的

这个到底经历了几次怎么个过程我们现在也难以判断了毕竟我们只看到一个结果嘛中间步骤我们看不着啊当然了还有另外一种说法那就是土星最大的卫星土维 6 实际上是在慢慢的远离土星在这个过程中有可能就导致一颗卫星被推向土星了那叫能量平衡嘛最后就导致这颗卫星瓦解

理论上讲呢土星这么多颗卫星实际上是形成了一个非常复杂的 N 体问题这 N 远大于 3 所以这问题就非常复杂它就是一个混沌有很多事呢没法预料在这个过程中该走的走了该死的死了该撞的撞了该吃的吃了最后我们就看到了一个相对来讲比较和谐的大家庭早年间呢都不是这模样啊

另外还有一种说法认为土星环的质量太小了它的引力远远不够吸附那些乱七八糟的灰尘气体而且土星环之中那些小颗粒还会互相发生磕碰磕碰以后就把表面给磕干净了反光率也非常高所以土星环的老化速度非常慢看上去长得挺年轻其实岁数已经不小了

这就造成了我们对土星环年龄的误判啊这年龄要误判这起源就真的不好判断了科学家们借助眼星技术在距离土星最近的 F 环里面发现了几个直径 10 米到 27 米的小天体这

这些小天体呢其实就是由小冰晶非常松散的粘在一起粘成一个大球啊它根本就不结实它如果发生了相互的碰撞这些雪球就有可能再次被炸开了它又碎了这冰晶颗粒又满天飞了这个过程呢也会为土星环提供新的建筑材料啊这些冰晶颗粒那可是长得相当干净的哟

所以至于到底哪个假说才是正确的到底是后期重轰炸期那会捡来的还是后来自己的卫星碎了现在科学家们也不敢下断言当务之急还是想办法要对土星环的总质量进行一个测量测量完了以后咱们才能做下一步的判断那到底该怎么测量土星环的质量呢很简单的

让卡西尼号从土星表面和距离最近的 F 环之间穿过去这样感受一下这个环和土星的引力这就可以判断了这也是卡西尼号的最后一个任务

因为呢这个卡西尼号从头到尾并没有进行过任何除菌处理所以它表面有可能带着地球上的微生物为了防止这个探测器最后撞上土星的卫星造成生物污染所以就必须把这颗探测器扔到这个土星里面去人道毁灭所以这个任务也就成了卡西尼号的最后一个任务了

但是这个任务要实施起来并不容易从 2008 年开始地面上的科学家就在讨论这个任务的所有执行过程和细节同样要执行这次任务也是要花钱的因为测控都是要花经费的这 NASA 还特地申请了两亿多美元的资金

而且呢这颗探测器也不是说你想撞上土星就能撞上土星的中间要完成一系列复杂的变轨操作还要利用土 V6 泰坦执行引力弹弓刹车

在 2017 年的 4 月 22 号卡西尼号探测器最后一次就路过了土威六泰坦利用这次机会实现了引力弹弓刹车现在这个位置呢几乎就相当于卡西尼号轨道的远地点你在远地点刹车就会让近地点的轨道变得更像土星那个方向贴近一点

到了 4 月 26 号卡西尼号再次开发动机进行了一次轨道修正经过这次电轨与修正之后卡西尼号的近地点已经贴到了 F 环和土星表面之间这一次穿越过去以后呢卡西尼探测器距离土星的上层云层的高度只有 3100 公里了他拍摄了大量的照片马上开始回传地球因为未来的时间不多了

未来他还要绕着土星再转 22 圈他的近地点是会逐渐降低高度直到撞进土星的大气层 2017 年的 9 月 14 号晚上 8 点钟卡西尼号传输了最后一张照片最后负责监控的是哥德斯通测空站 9 月 15 号卡西尼号就坠入土星大气层烧毁仅仅比预定的时间晚了 30 秒

到了 2018 年 NASA 公布了一部动画短片记录的就是卡西尼号的最后任务画面上是真实的表现了它是如何一次又一次的贴近土星表面直到在大气层里面烧毁直到最后一刻这个卡西尼号的天线还在倔强的对准着地球的方向传送最后的测空数据

每次看到这个画面我的鼻子都发酸这部片子后来获得了艾美奖的杰出原创互动节目奖作为一个计时类的科教片能拿到这样的奖项算是很了不起了卡西尼号从发射算起陪伴了我们整整 19 年 0335 天它带给了我们关于土星和它的卫星家族的大量知识

人类对于太阳系和行星的认知理解呢获得了极大的提升它发送回来的数据就成了一座宝库所以现在科学家们还在不断从这些数据里面挖掘出新的发现这个项目结束呢现在也已经过去七八年的时间了现在这 NASA 也不是当年的那个 NASA 了啊

他现在也没钱了嘛因为好多项目都让川普拿刀给砍了嘛随着这一批深空探测项目的结束未来的深空探测器不知道在等到什么时候还有好多计划排在地上等着排队呢就是没钱呢

预计呢咱们国家会在 2029 年发射天问四号去探测木星啊但是飞到木星还得好几年没办法要不说这个深空探测死贵死贵的就是因为时间拖得太长不过我们还是会等到好消息的啊

相对来讲呢这火星探测就比较划算去一趟七个月就够了所以 NASA 后续又搞出了一连串的火星探测任务有关这一档的事呢咱们下回再说科学声音