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04 巨行星的卫星和光环 Giant Planets Satellites and Rings（第1页）

04巨行星的卫星和光环GiaellitesandRings

具有光环和一大群卫星，是四颗巨行星的共同特征。虽然这两点在重要程度和规模上存在差异，但每个环-卫星系统之间的相似之处比差异多。

环-卫星系统

巨行星的大多数外侧卫星都在偏心轨道上运行，通常与行星的自转方向相反。此外，许多外侧卫星的轨道相对它们的行星的赤道的倾角大于30°。这些天体因为引力太小，无法把自己拉成球形，再加上典型的轨道偏心、逆行和倾斜性质，于是被统称为“不规则卫星”。这些不规则卫星最大的有100千米宽，普通的只有几千米宽，是数量最多的一类卫星。据最新统计，木星有55颗不规则卫星，轨道半长轴从105到400个木星半径不等；土星有38颗不规则卫星，轨道半长轴从184到417个土星半径不等；天王星有9颗不规则卫星，轨道半长轴从167到818个天王星半径不等；海王星有6颗不规则卫星，轨道半长轴从223到1954个海王星半径不等。

而“规则卫星”是指那些在近圆形顺行轨道上的大型卫星。“规则卫星”离它们的行星要近得多，轨道相对其行星的赤道倾角很小。木星有4个“规则卫星”（伽利略发现的那些），它们的轨道半长轴从5。9到26。3个木星半径不等。尽管规则卫星不符合国际天文学联合会对行星的定义，但它们都是实实在在的，在地质学上与类地行星有许多共同之处。土星有8颗规则卫星，除了一颗，其余的都比木星的规则卫星小得多。土星的8颗规则卫星的轨道半长轴分别从3到59个土星半径不等。天王星有5颗规则卫星，轨道半长轴分别从5到23个天王星半径不等。海王星有一颗大卫星——海卫一（Triton），在半长轴为14个海王星半径的轨道上运行。尽管海卫一的轨道是逆行的，但它被认为是“规则的”。所有规则卫星（包括海卫一）都具有一个重要特征：潮汐力[1]对它们的控制很强，以至于它们处于同步旋转的状态，每公转一圈就自转一次，因此，就像地球的月球一样，规则卫星总是用同一面对着自己的行星。

我们在更近一些的地方发现了不规则形状的碎片块，于是很方便地将其分为“内侧超小卫星”。它们有圆形的、顺行的赤道轨道，组成行星环的微粒也是如此。考虑到一些内侧超小卫星的轨道位于环内，一个大的光环粒子和一个小的内侧超小卫星之间可能没有根本的区别。木星只有4颗已知的内侧超小卫星，但土星有14颗，其中7颗的轨道位于土星最内侧的规则卫星轨道之中。天王星有13颗内侧超小卫星，海王星有6颗。

行星环的宽度和数量因行星而异，土星环是迄今为止最壮观的行星环，但总的来说土星环的厚度不超过几十千米。大多数情况下，行星环与行星的距离比“洛希极限”（Rochelimit）还要近。“洛希极限”是一个边界，在它的内侧的任何大型天体都会被潮汐力撕裂。我们认为大多数行星环是卫星或彗星离行星太近时被潮汐破坏遗留下来的碎片。但一些不那么坚固的环显然是由附近卫星活动排入太空的粒子或某些撞击产生的粒子形成。

土星环是由冰构成的，会反射80%的阳光。尽管土星环的外表很突出（图3），但如果把它们集中在一起，环中的物质只能形成一个直径约100千米的物体。虽然还没有拍摄到单个光环粒子，但当行星的阴影落在土星环上时，土星环冷却的速度表明它主要由直径在1厘米到5米之间的微粒构成。相比之下，木星环的粒子要小得多，主要是微米大小，并且这些粒子的反射能力也比土星环中明亮的冰团要弱得多。天王星和海王星的环状物质反射太阳光的能力很差，和木星一样；但天王星和海王星的大部分光环粒子的直径都在厘米到米之间，和土星一样。

图19　卡西尼号于2009年7月27日拍摄的5000千米宽的部分土星环照片。在这个尺度下，土星环的曲率（在右边的视野之外）几乎不显现。在粒子密度最大的地方，光环反射的阳光最多，黑色的部分显示出无粒子的缝隙。土卫十八（Pan）是一颗直径为28千米的牧羊犬卫星，图中可以看到它在土星环最宽的缝隙中运行。土卫十八除了会将这个环间隙清扫干净，还会影响间隙内其他狭窄且不连续的卫星环。这张照片是在太阳非常靠近土星环所在平面的时候拍摄的，土卫十八的影子在土星环上特别长

轨道共振导致环与环内小卫星之间存在复杂的引力相互作用（图19）。这些环内小卫星通常被称为“牧羊犬卫星”，因为其中一些环内小卫星会将环间隙清扫干净，另一些环内小卫星形成时会产生一些窄小的环，且这些环的轨道刚好在它们的内侧或外部。一般来说，环与它们的行星的距离要小于环与规则卫星的距离。但土星是个例外，因为它有一个由暗的尘埃物质组成的外环。这个弥散的外环围绕着土卫九的轨道。土卫九是土星最内侧的不规则卫星。

值得注意的卫星

曾经有一段时间，几乎所有人都认为，即使那个外行星最大的卫星，也只是枯燥的天体。它们只是古老的冰球，被撞击弄得坑坑洼洼，记录着外太阳系的轰击历史。如果你不想研究共同轨道演化，外行星卫星就没有什么意义了。这种观点一直持续到了1979年3月，直到加州大学的斯坦顿·皮尔与两位同事发表的一篇论文指出，木星最内层的伽利略卫星，木卫一（Io）和木卫二（Europa）之间精确的2∶1轨道共振会导致木卫一的形状发生潮汐变形，因此，木卫一内部应该是熔融的。通过对木卫一和木卫二的密度估计和表面光谱分析，我们已经知道木卫一有岩石外壳，不像其他卫星外壳主要是冰。因为岩石体内部的熔化温度要高得多，所以提出岩石体有一个熔融内部是特别大胆的猜想。还好旅行者1号在论文发表的几天后飞过木卫一，传送回喷发的火山图片，里面显示木卫一火山顶部是300千米高的喷射羽状物，不然很少有人会相信这种说法。

虽然木卫一的潮汐加热是迄今发现的卫星中最强的，但这样的过程也影响着各种其他卫星，它们中的许多都有古代潮汐加热的痕迹。潮汐加热使这些卫星千差万别，这也引起了地质学家的兴趣。大多数有潮汐加热的卫星只有核是岩石，地质学家对此并不介意。这些卫星被一层厚厚的冰覆盖，表面一层可能在化学组成上截然不同。外太阳系天体普遍表面温度低（木星卫星的表面温度为-140℃，海王星卫星的表面温度为-235℃），在这里，冰的力学性质和融化行为与内太阳系的岩石非常相似。换句话说，这些天体具有和类地行星类似的行为和结构，只是其核心是岩石而不是铁，壳和幔是冰而不是岩石。

但木卫一是一个例外。它没有冰，却有岩石构成的外壳和被幔包围着的铁核，如果它是围绕太阳而不是木星运行的，将被归类为类地行星。木卫二是一种混合结构，类似于把木卫一深埋在100~150千米冰层下。接下来，我将描述这两颗卫星以及其他一些最吸引我的卫星，把重点放在更典型的例子上。尽管这些卫星是坑坑洼洼的冰球，它们也比我们之前想象的沉闷球体更有趣。

木卫一

木卫一的直径只有3642千米，略大于我们的月球，密度也更大，但两者却截然不同。木星的引力会使偶发的抛射体向内聚焦，这意味着木卫一比木星其他同样布满陨石坑的卫星——木卫三和木卫四——更容易受到撞击。但木卫一的地形被火山过程重新改造过，且改造速度很快，以至于木卫一表面没有留下陨石坑。木卫三和木卫四的轨道在木卫二之外。1979年，在研究旅行者1号拍摄的木卫一的第一张彩色特写照片时，它的黄色色调让许多人猜测——木卫一表面清晰可见的叶状熔岩流是由硫构成的。然而人们现在普遍认为木卫一的火山是由熔融硅酸盐物质构成的，也就是真正的“岩石”。在木卫一表面，尽管火山活动区域以外的地方非常寒冷，但喷发的火山口中心温度远远超过了1000℃。图20所示的喷发气体里主要有二氧化硫，而在地球上火山的喷发气体主要是水蒸气。硫和二氧化硫在木卫一表面凝结成“霜”，赋予了木卫一颜色。

木卫一位于木星磁场俘获的带电粒子带内。带电粒子带内的辐射很强烈，以至于NASA的伽利略号探测器无法让航天器对木卫一进行多次近距离飞行，因此，木卫一只有一小部分表面的成像质量足够好，可以显示出几百米以下的细节。木卫一最清晰的图像像素只有10米宽，即使如此，我们也没有从其中发现陨石坑。

如果木卫一的火山活动速度长期以来都没变，那么木卫一的整个壳和幔一定已经循环了许多次。熔岩流和从喷发羽流掉落的物质覆盖着较老的地表，这相当于以平均每年几厘米的速度掩埋着木卫一全球的地表。木卫一表面火山活动很快掩盖了陨石坑，让它们无迹可寻。同时因为木卫一的引力太弱，无法抓住水蒸气或其他轻气体，所以即使木卫一曾经有过冰层，火山活动也早就已经将它蒸发，使其消失在太空中。对火山学家来说，木卫一是一个多么美妙的地方啊!要是严酷的辐射环境没有彻底地阻碍人类对木卫一表面的探索就好了。

图20　上图：2007年3月，飞向冥王星的新视野号（NewHorizons）在飞越木星时，拍摄到的木卫一的新月形图像。在一个叫作特瓦史塔（Tvashtar）火山喷口的地方，夜间的火山喷射羽流高达300千米，所以它的上部是在阳光下的。在其源头可以看到白炽的光，羽流下方的阴影里的部分被来自木星的反射光微弱地照亮

下图：这张250千米宽的特瓦史塔全景图是八年前伽利略号探测器拍摄的。阳光是从左边来的。最暗的物质是近期的熔岩流，左上方东西方向的明亮条纹是从火山裂缝中喷发出来的炽热熔岩

木卫二

木卫二的直径为3130千米，它是我的最爱。旅行者号在1980年和1981年探测飞行时拍摄的照片显示，木卫二的表面看起来像一个裂开的蛋壳，几乎看不到陨石坑。很明显，这是因为潮汐加热以某种方式重塑了木卫二冰冷的外层，虽然速度没有木卫一那么快。伽利略号的高分辨率成像任务揭示了木卫二复杂的地表历史，并引发了一场异常激烈的争论。众所周知，木卫二的表面主要是水冰，其总体密度表明这层冰壳有100~150千米厚，覆盖着密度更大的内部岩石。但是，密度参数并不能区分固态冰和液态水。由于温度较低，木卫二表面的冰坚硬而易碎。关于木卫二，争议的焦点是地表下“冰”的状态：它是一路冻结到与岩石接触的区域，还是底部是**，而顶部是漂浮的冰壳？

关于争议中的这两个观点，后者需要更快的内部潮汐加热速度，以及加入冰下是液态水的全球海洋这一奇特概念。我个人认为，图21这类图像中得到的表面特征很清楚，这样的冰通常很薄，只有几千米厚，所以一定是漂浮在水面上的。然而，在伽利略号环绕木星系统运行的数年时间里，成像团队中一个强大的游说团体坚持不懈地试图用由厚冰层中固态对流驱动的过程来解释木卫二的表面特征。

现在被普遍接受的木卫二的地质结构可以用图21来解释。这张图片显示了许多由100米高的悬崖围成的高大的“冰筏”。冰筏的表面特征是一系列的山脊和沟槽，且朝不同的方向运动。冰筏之间的纹理比较杂乱，图像模糊。在这个区域之外，木卫二有大片没有被分解成冰筏的区域，那里的表面图像是不间断的山脊和沟槽，图21中的冰筏显然是这种支离破碎的碎片。裂隙的开闭导致了山脊和沟槽图像的出现，并且裂隙开闭的潮汐周期可能与木卫二3。6天这一公转周期一致。在整个木卫二上，任何时候都只有少数裂隙是活跃的。当一个活跃的裂隙被打开时，它的宽度可能只有1米，水会从下面被抽上来，暂时暴露在顶部。这些处在寒冷真空中的水会在瞬间沸腾并冻结，接着很快被泥浆覆盖。当裂隙闭合时，一些泥浆被挤压到表面，在闭合的裂隙上方形成一个山脊。下次裂隙打开时，山脊开裂，再次闭合时，又有更多的泥浆加入其中。裂隙几年的开合就足够在中心沟槽周围形成我们看到的这种大小的山脊。最终，每条裂隙都会永久封死，但新的裂隙又会在其他地方开始作用，于是图像就形成了，这使得覆盖木卫二大部分地区的山脊和沟槽地形呈现出一种类似于毛线团的外观。

图21　木卫二康纳马拉混沌区（araChaion）的特写镜头，画面有42千米宽。来自下层海洋的“融解”使得冰筏在该地区重新结冰之前能够漂移开来。阳光来自右边