來自土星環的降雨　肉眼看不見

2013/4/19   (8236)   原稿來源: http://www.ettoday.net/news/20

刊載在「自然」(Nature)期刊的最新研究指出，英國列斯特大學的天文學家James O'Donoghue等人，利用夏威夷的凱克II望遠鏡(Keck II telescope)觀察土星電離層中帶電氫離子所發出的輻射，發現有帶電的水從由6萬公里高的土星環落往土星，這些降雨會影響部分土星高層大氣的組成及溫度結構，形成深色的暗紋。


土星的高層大氣與土星環有著密切的交互作用，來自土星環的雨水落向電離層(ionosphere)，大幅降低了該局部區域的電子濃度。這解釋了過去幾十年來，為何我們觀測到土星某些緯度的電子濃度非常低的問題，也幫助科學家更瞭解土星環系統的起源與演化，以及土星大氣層的改變。

在1980年代早期，美國航太總署(NASA)的航海家號(Voyager)太空船就拍攝到土星上有2到3條暗紋，科學家推測可能是由土星環落下的雨水所造成，但直到2011年4月科學家利用凱克II望遠鏡在近紅外線波段的觀察，才又看到這些平行於赤道的暗紋。


在土星的電離層中，中性的大氣層被高能量粒子或太陽輻射游離，而產生帶電粒子。科學家追蹤一種帶有3個質子的特殊氫離子(三原子氫)時，原本以為會看到整個星球均勻地在紅外波段發光，沒想到卻觀察到一系列亮暗相間的條紋。暗紋約占了土星上層大氣緯度25到55度的30-43%，這比當初航海家號任務所拍到的影像還大得多。

根據研究團隊的計算，土星電離層的暗紋和土星環上最亮最密的區域被磁場連結。來自太陽的輻射游離了水分子，然後被行星的磁場掃過並拉向土星，當這些帶電粒子撞擊電離層，便會摧毀發光的三原子氫。因此，土星環最亮最密的部分製造了最大的降雨，在發光的電離層上畫上了暗紋。


土星環的環縫沒有產生降雨，便留下了原本發亮的亮條。本篇論文作者之一的Steve Miller表示，這些暗紋只有在特定的紅外波段可見，即使我們在土星的衛星上也無法用肉眼看見它們，而木星的電離層看起來就均勻得多。O'Donoghue估計，每天土星環會降下1到10個奧運規格游泳池的水到土星的電離層上。

這項研究成果解釋了長久以來難解的一些謎團：像是為什麼土星電離層的溫度比預期還要高上幾百度，降雨中的帶電的水分子可能就提供了加熱所需的額外能源；另外，土星低層大氣比預期更濕，可能也是因為來自土星環的降雨所造成。天文學家接下來將利用卡西尼號上的儀器進行研究，期望能更詳細地觀察水如何移除電離層中的帶電粒子。