土星環的化學複雜性改變了行星的高層大氣
政治幽默家馬克·羅素曾經開玩笑說:「我最喜歡的科學理論是土星環完全由航空公司丟失的行李組成。」結果是，沒有行李。但一項新的研究發表在《科學》雜誌上，該研究基於去年NASA卡西尼號(Cassini)航天器最後軌道的數據。該研究顯示，土星環——宇宙中一些最具視覺衝擊力的天體——的化學成分遠比人們之前理解的複雜。
此外，這篇論文還顯示了這個氣體巨人最深處的D環正在以驚人的速度將包裹在其化學混合物中的塵埃顆粒拋向地球的高層大氣。研究人員表示，在很長一段時間內，這種物質會改變大氣中的碳和氧含量。「這是我們太陽系工作原理的一個新元素，」堪薩斯大學物理學和天文學教授托馬斯·克拉文斯(Thomas Cravens)說。有兩件事讓我驚訝。一個是環上物質的化學複雜性——根據我們過去的觀察，我們認為它幾乎完全是水。第二件事是它的絕對數量——遠遠超過我們最初的預期。戒指在大氣中使用的材料的質量和數量讓我大吃一驚。Cravens是卡西尼離子和中性質譜儀(INMS)小組的成員。2017年，在卡西尼號的「大結局」中，探測器上的質譜儀在土星環和大氣層之間的高度採樣了化學物質。
不僅是水，INMS還發現這些環由水、甲烷、氨、一氧化碳、分子氮和二氧化碳組成。克拉文斯說:「這篇論文描述的是內環和上層大氣之間的間隙環境，有些發現是意料之中的，比如水。」令人驚訝的是，質譜儀發現了甲烷——沒有人預料到。同時，它看到了一些二氧化碳，這是出乎意料的。環被認為完全是水。但最裡面的環是相當受污染的，事實證明，有機物質陷入了冰中。卡西尼號質譜儀的另一項新發現顯示，土星D環中的大量化學物質被土星D環甩入了土星的高層大氣中，而土星D環的旋轉速度比土星的大氣層本身還要快。這位堪薩斯大學的研究人員說:「我們看到了它的發生，儘管它還沒有被完全理解。」「我們看到的是這種物質，包括一些汽油，正在改變土星赤道地區的最上層大氣。那裡的穀物和灰塵都被污染了。
克拉文斯說，這一發現可能會為太陽系、其他太陽系和系外行星的形成機制提供新的線索，同時也會引發一系列新的科學問題。「這可以幫助我們理解，行星是如何得到光環的?」有人知道，有人不知道。「戒指的壽命是多少?」是什麼在補充戒指呢?有沒有過土星沒有光環的時候?這是怎麼合成的呢?它是太陽系形成時留下來的嗎?它是否可以追溯到原始的太陽前星雲，這個星雲從形成太陽和行星的星際介質中崩潰出來?據Cravens說，從土星D環噴出物質進入土星高層大氣(或電離層)的比例高於預期，這足以天文學家現在認為土星D環的壽命可能比先前估計的要短。「因為這些數據，我們現在縮短了內環的壽命，因為被移出的物質的數量——比我們之前想像的要多得多，」Cravens說。我們知道它將物質從圓環中碰撞出來的速度至少是我們想像的10倍。如果沒有補充，戒指就不會持久——你的水桶上有個洞。木星很可能有一個環演化成現在的小環，可能是出於類似的原因。戒指來來去去。在某種程度上，他們會逐漸流失，除非他們得到了新的材料。
在堪薩斯大學研究生和本科生的協助下，Cravens工作的第一階段是對卡西尼INMS儀器的原始數據進行分類和清理。「原始數據從我們卡西尼號上的儀器，到深空天線，再到美國宇航局的噴氣推進實驗室，再到位於聖安東尼奧的西南研究所的計算機，第一作者亨特·韋特就在那裡，」他說。但是Cravens的主要貢獻在於解釋這些數據，重點關注土星環中的物質是如何改變土星電離層的。克雷文斯和他的同事報告說，土星環中的化學物質通過將氫離子和三原子氫離子轉化為更重的分子離子，改變了土星赤道電離層的化學性質，耗盡了土星的電離層密度。
「我的興趣是電離層，帶電粒子的環境，這是我關注的重點，」Cravens說。「這些黏糊糊的東西會吞噬電離層，影響它的組成，並導致可觀察到的效應——這就是我們現在正在努力理解的。」數據很清楚，但解釋仍在建模中，這需要一段時間。這些物質以很高的速度進入土星，因為土星環的運動速度比大氣層快很多。它不只是輕輕地掉進去。它飛到那裡就像衛星重新進入我們的星球。這些塵埃顆粒以衛星速度移動，沉積的能量可以分解大氣。每一個原子，由於環和大氣之間的速度差別，它的能量相當高。我們認為它可能正在加熱上層大氣，改變其成分。
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