土星环的化学复杂性改变了行星的高层大气
政治幽默家马克·罗素曾经开玩笑说:“我最喜欢的科学理论是土星环完全由航空公司丢失的行李组成。”结果是，没有行李。但一项新的研究发表在《科学》杂志上，该研究基于去年NASA卡西尼号(Cassini)航天器最后轨道的数据。该研究显示，土星环——宇宙中一些最具视觉冲击力的天体——的化学成分远比人们之前理解的复杂。
此外，这篇论文还显示了这个气体巨人最深处的D环正在以惊人的速度将包裹在其化学混合物中的尘埃颗粒抛向地球的高层大气。研究人员表示，在很长一段时间内，这种物质会改变大气中的碳和氧含量。“这是我们太阳系工作原理的一个新元素，”堪萨斯大学物理学和天文学教授托马斯·克拉文斯(Thomas Cravens)说。有两件事让我惊讶。一个是环上物质的化学复杂性——根据我们过去的观察，我们认为它几乎完全是水。第二件事是它的绝对数量——远远超过我们最初的预期。戒指在大气中使用的材料的质量和数量让我大吃一惊。Cravens是卡西尼离子和中性质谱仪(INMS)小组的成员。2017年，在卡西尼号的“大结局”中，探测器上的质谱仪在土星环和大气层之间的高度采样了化学物质。
不仅是水，INMS还发现这些环由水、甲烷、氨、一氧化碳、分子氮和二氧化碳组成。克拉文斯说:“这篇论文描述的是内环和上层大气之间的间隙环境，有些发现是意料之中的，比如水。”令人惊讶的是，质谱仪发现了甲烷——没有人预料到。同时，它看到了一些二氧化碳，这是出乎意料的。环被认为完全是水。但最里面的环是相当受污染的，事实证明，有机物质陷入了冰中。卡西尼号质谱仪的另一项新发现显示，土星D环中的大量化学物质被土星D环甩入了土星的高层大气中，而土星D环的旋转速度比土星的大气层本身还要快。这位堪萨斯大学的研究人员说:“我们看到了它的发生，尽管它还没有被完全理解。”“我们看到的是这种物质，包括一些汽油，正在改变土星赤道地区的最上层大气。那里的谷物和灰尘都被污染了。
克拉文斯说，这一发现可能会为太阳系、其他太阳系和系外行星的形成机制提供新的线索，同时也会引发一系列新的科学问题。“这可以帮助我们理解，行星是如何得到光环的?”有人知道，有人不知道。“戒指的寿命是多少?”是什么在补充戒指呢?有没有过土星没有光环的时候?这是怎么合成的呢?它是太阳系形成时留下来的吗?它是否可以追溯到原始的太阳前星云，这个星云从形成太阳和行星的星际介质中崩溃出来?据Cravens说，从土星D环喷出物质进入土星高层大气(或电离层)的比例高于预期，这足以天文学家现在认为土星D环的寿命可能比先前估计的要短。“因为这些数据，我们现在缩短了内环的寿命，因为被移出的物质的数量——比我们之前想象的要多得多，”Cravens说。我们知道它将物质从圆环中碰撞出来的速度至少是我们想象的10倍。如果没有补充，戒指就不会持久——你的水桶上有个洞。木星很可能有一个环演化成现在的小环，可能是出于类似的原因。戒指来来去去。在某种程度上，他们会逐渐流失，除非他们得到了新的材料。
在堪萨斯大学研究生和本科生的协助下，Cravens工作的第一阶段是对卡西尼INMS仪器的原始数据进行分类和清理。“原始数据从我们卡西尼号上的仪器，到深空天线，再到美国宇航局的喷气推进实验室，再到位于圣安东尼奥的西南研究所的计算机，第一作者亨特·韦特就在那里，”他说。但是Cravens的主要贡献在于解释这些数据，重点关注土星环中的物质是如何改变土星电离层的。克雷文斯和他的同事报告说，土星环中的化学物质通过将氢离子和三原子氢离子转化为更重的分子离子，改变了土星赤道电离层的化学性质，耗尽了土星的电离层密度。
“我的兴趣是电离层，带电粒子的环境，这是我关注的重点，”Cravens说。“这些黏糊糊的东西会吞噬电离层，影响它的组成，并导致可观察到的效应——这就是我们现在正在努力理解的。”数据很清楚，但解释仍在建模中，这需要一段时间。这些物质以很高的速度进入土星，因为土星环的运动速度比大气层快很多。它不只是轻轻地掉进去。它飞到那里就像卫星重新进入我们的星球。这些尘埃颗粒以卫星速度移动，沉积的能量可以分解大气。每一个原子，由于环和大气之间的速度差别，它的能量相当高。我们认为它可能正在加热上层大气，改变其成分。
