土星的自转为何如此难以测量？答案在这里
简介：土星是一颗多层气体巨星，科学家通过观察其射电频率模式来确定自转周期，但由于土星结构复杂，我们只能测量其上层大气的旋转周期。有学者通过模型模拟发现土星自转周期变化的原因是其大气层外缘等离子区的阻力。
对于一个岩石行星来说，找到一天的长度可以很简单。只要选择一个参考点，观察它从视野中旋转出去，然后再回到视野中需要多长时间。但是对于像土星这样的行星，就没那么简单了。这没有表面特征可以追踪。
科学家们已经花了几十年时间试图确定土星的旋转周期。但是这个气体巨人一直不愿意透露它的秘密。AGU《地球物理研究》杂志上的空间物理学板块的一项新研究可能终于有了答案。这项研究的题目是 “土星的多重可变周期性：热层-电离层-磁层耦合的双飞轮模型”。
对于像地球这样的行星，当我们测量旋转周期时，我们知道我们正在测量什么。我们正在测量行星的表面。但是对于一个气体巨行星来说，事情就比较复杂了。科学家们实际上是在谈论行星的哪一层呢？
土星是一个多层次的气体巨行星，可能有一个岩石核心。这个核心被一层冰所包围，然后是金属氢和氦。然后是一个氦雨区，进一步被一个液态氢区所包围。然后是一大片气态氢的区域。土星的高层大气由三层组成：顶部是氨云，下面是硫化氢铵，再下面是水蒸气云。
土星的比例图显示了土星结构的一些细节。图片来源: Kelvinsong-Own work，CC BY-SA 3.0, （图片说明）
当科学家们谈论土星的旋转周期时，他们谈论的是高层大气。这是这个星球上唯一可以真正测量的部分。
科学家们通过观察一个巨大的气体发出的无线电频率模式来确定其一天的时间长度。土星的困难在于它只发出低频的无线电模式，而地球的大气层会阻挡这些模式。这与木星形成鲜明对比，木星发射的高频率模式可以穿过地球的大气层。正因为如此，在航天器出现之前，科学家们就能够计算出木星的旋转周期。
直到等到1980年和1981年，旅行者1号和旅行者2号访问土星并收集数据。当时，他们测量的旋转周期为10小时40分。那是当时最好的测量结果，而且它坚持了下来。二十年来。
但后来卡西尼造访了土星，并花了13年时间研究它及其卫星。天文学家们惊奇地发现土星的自转周期已经改变。卡西尼号的数据显示，在旅行者号和卡西尼号之间的20年里，一天的长度发生了变化。
“在2004年左右，我们看到周期改变了6分钟，大约1% 。”
阿拉巴马州伯明翰南部学院的杜恩庞蒂亚斯，研究合著者。
卡西尼号显示，转动周期改变了6分钟，约1% 。
“大约在2004年，我们看到周期改变了6分钟，大约1% ,”阿拉巴马州伯明翰南部学院的杜恩庞蒂亚斯说，他是这项新研究的合著者。“很长一段时间，我都认为数据解读有问题,”庞蒂亚斯回忆道。“这是不可能的。”
在如此短的时间内，整个行星是如何改变其自转周期的？如此巨大的变化应该需要数亿年的时间才能发生。但还有更多发现：卡西尼号还测量了电磁模式，显示出南北半球有不同的自转周期。
土星的季节变化
庞蒂亚斯和其他作者想要了解发生了什么，以及为什么在测量中有差异。假设卡西尼号的数据被正确理解，那么这种变化以及半球之间的差异一定是有原因的。他们决定将土星与其最近的兄弟——木星进行比较。
土星有一个特点就是季节。土星的轴向倾斜几乎为27度，与地球的23度倾斜相似。木星只有3度倾斜。就像地球一样，土星的南北半球在围绕太阳运行时，也会接收到不同数量的能量。
太阳系8颗行星的倾斜和旋转。
在土星大气层的外缘有一个等离子区。庞蒂亚斯和其他作者认为，通过季节到达半球的不同数量的紫外线能量与等离子体相互作用。在他们开发的模型中，紫外线的变化影响着等离子体，在等离子体和外层大气的交汇处产生或多或少的阻力。
阻力决定了大气的旋转，正如无线电波辐射所显示的那样，旋转随着我们观察的季节而变化。
一个关于土星大气层的北半球和南半球以及磁层等离子体可能发生的情况的机械模拟模型，以产生关于土星旋转速度有多快的误导信号。“刹车”是等离子体在离地球更远的地方飞行时的减速，就像旋转舞者的手臂在伸展时比紧贴身体时移动得更慢一样。图片来源: e. l. Brooks，E. al，2019，JGR: Space Physics。（
来自等离子体的阻力减慢了旋转，使我们有了由无线电发射信号显示的旋转周期。随着季节的变化，等离子体的阻力也在变化，无线电波的辐射也在变化。由于没有固定的表面特征，科学家们再次利用无线电辐射来测量土星的旋转周期。
这个由庞蒂亚斯和他的同事们发展的模型解释了在旅行者号和卡西尼号之间的20年间观察到的旋转变化。不过，这种测量方法只适用于土星的表层。岩石核心的质量是地球的9-22倍，隐藏在数万公里的大气层之下，神秘莫测。
BY: Evan Gough
FY: Charlene
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