土星環(huán)的化學(xué)復(fù)雜性改變了行星的高層大氣

政治幽默家馬克·羅素曾經(jīng)開玩笑說:“我最喜歡的科學(xué)理論是土星環(huán)完全由航空公司丟失的行李組成棵癣∑炯＃”結(jié)果是节值，沒有行李廊镜。但一項(xiàng)新的研究發(fā)表在《科學(xué)》雜志上，該研究基于去年NASA卡西尼號(hào)(Cassini)航天器最后軌道的數(shù)據(jù)男应。該研究顯示闹司，土星環(huán)——宇宙中一些最具視覺沖擊力的天體——的化學(xué)成分遠(yuǎn)比人們之前理解的復(fù)雜。

此外沐飘，這篇論文還顯示了這個(gè)氣體巨人最深處的D環(huán)正在以驚人的速度將包裹在其化學(xué)混合物中的塵埃顆粒拋向地球的高層大氣游桩。研究人員表示，在很長一段時(shí)間內(nèi)耐朴，這種物質(zhì)會(huì)改變大氣中的碳和氧含量借卧。“這是我們太陽系工作原理的一個(gè)新元素筛峭，”堪薩斯大學(xué)物理學(xué)和天文學(xué)教授托馬斯·克拉文斯(Thomas Cravens)說铐刘。有兩件事讓我驚訝。一個(gè)是環(huán)上物質(zhì)的化學(xué)復(fù)雜性——根據(jù)我們過去的觀察影晓，我們認(rèn)為它幾乎完全是水镰吵。第二件事是它的絕對數(shù)量——遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過我們最初的預(yù)期。戒指在大氣中使用的材料的質(zhì)量和數(shù)量讓我大吃一驚挂签。Cravens是卡西尼離子和中性質(zhì)譜儀(INMS)小組的成員疤祭。2017年，在卡西尼號(hào)的“大結(jié)局”中饵婆，探測器上的質(zhì)譜儀在土星環(huán)和大氣層之間的高度采樣了化學(xué)物質(zhì)勺馆。

不僅是水，INMS還發(fā)現(xiàn)這些環(huán)由水、甲烷谓传、氨、一氧化碳芹关、分子氮和二氧化碳組成续挟。克拉文斯說:“這篇論文描述的是內(nèi)環(huán)和上層大氣之間的間隙環(huán)境侥衬，有些發(fā)現(xiàn)是意料之中的诗祸，比如水≈嶙埽”令人驚訝的是直颅，質(zhì)譜儀發(fā)現(xiàn)了甲烷——沒有人預(yù)料到。同時(shí)怀樟，它看到了一些二氧化碳功偿，這是出乎意料的。環(huán)被認(rèn)為完全是水往堡。但最里面的環(huán)是相當(dāng)受污染的械荷，事實(shí)證明，有機(jī)物質(zhì)陷入了冰中虑灰《窒梗卡西尼號(hào)質(zhì)譜儀的另一項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)顯示，土星D環(huán)中的大量化學(xué)物質(zhì)被土星D環(huán)甩入了土星的高層大氣中穆咐，而土星D環(huán)的旋轉(zhuǎn)速度比土星的大氣層本身還要快颤诀。這位堪薩斯大學(xué)的研究人員說:“我們看到了它的發(fā)生，盡管它還沒有被完全理解对湃⊙陆校”“我們看到的是這種物質(zhì)，包括一些汽油熟尉，正在改變土星赤道地區(qū)的最上層大氣归露。那里的谷物和灰塵都被污染了。

克拉文斯說斤儿，這一發(fā)現(xiàn)可能會(huì)為太陽系剧包、其他太陽系和系外行星的形成機(jī)制提供新的線索，同時(shí)也會(huì)引發(fā)一系列新的科學(xué)問題往果〗海“這可以幫助我們理解，行星是如何得到光環(huán)的?”有人知道陕贮，有人不知道堕油。“戒指的壽命是多少?”是什么在補(bǔ)充戒指呢?有沒有過土星沒有光環(huán)的時(shí)候?這是怎么合成的呢?它是太陽系形成時(shí)留下來的嗎?它是否可以追溯到原始的太陽前星云，這個(gè)星云從形成太陽和行星的星際介質(zhì)中崩潰出來?據(jù)Cravens說掉缺，從土星D環(huán)噴出物質(zhì)進(jìn)入土星高層大氣(或電離層)的比例高于預(yù)期卜录，這足以天文學(xué)家現(xiàn)在認(rèn)為土星D環(huán)的壽命可能比先前估計(jì)的要短】裘鳎“因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)艰毒，我們現(xiàn)在縮短了內(nèi)環(huán)的壽命，因?yàn)楸灰瞥龅奈镔|(zhì)的數(shù)量——比我們之前想象的要多得多搜囱，”Cravens說丑瞧。我們知道它將物質(zhì)從圓環(huán)中碰撞出來的速度至少是我們想象的10倍。如果沒有補(bǔ)充蜀肘，戒指就不會(huì)持久——你的水桶上有個(gè)洞绊汹。木星很可能有一個(gè)環(huán)演化成現(xiàn)在的小環(huán)，可能是出于類似的原因扮宠。戒指來來去去西乖。在某種程度上，他們會(huì)逐漸流失涵卵，除非他們得到了新的材料浴栽。

在堪薩斯大學(xué)研究生和本科生的協(xié)助下，Cravens工作的第一階段是對卡西尼INMS儀器的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和清理轿偎〉浼Γ“原始數(shù)據(jù)從我們卡西尼號(hào)上的儀器，到深空天線坏晦，再到美國宇航局的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室萝玷，再到位于圣安東尼奧的西南研究所的計(jì)算機(jī)，第一作者亨特·韋特就在那里昆婿，”他說球碉。但是Cravens的主要貢獻(xiàn)在于解釋這些數(shù)據(jù)，重點(diǎn)關(guān)注土星環(huán)中的物質(zhì)是如何改變土星電離層的仓蛆≌龆克雷文斯和他的同事報(bào)告說，土星環(huán)中的化學(xué)物質(zhì)通過將氫離子和三原子氫離子轉(zhuǎn)化為更重的分子離子看疙，改變了土星赤道電離層的化學(xué)性質(zhì)豆拨，耗盡了土星的電離層密度。

“我的興趣是電離層能庆，帶電粒子的環(huán)境施禾，這是我關(guān)注的重點(diǎn)，”Cravens說搁胆∶指悖“這些黏糊糊的東西會(huì)吞噬電離層邮绿，影響它的組成，并導(dǎo)致可觀察到的效應(yīng)——這就是我們現(xiàn)在正在努力理解的攀例〈”數(shù)據(jù)很清楚，但解釋仍在建模中粤铭，這需要一段時(shí)間傻唾。這些物質(zhì)以很高的速度進(jìn)入土星，因?yàn)橥列黔h(huán)的運(yùn)動(dòng)速度比大氣層快很多承耿。它不只是輕輕地掉進(jìn)去。它飛到那里就像衛(wèi)星重新進(jìn)入我們的星球伪煤。這些塵埃顆粒以衛(wèi)星速度移動(dòng)加袋，沉積的能量可以分解大氣。每一個(gè)原子抱既，由于環(huán)和大氣之間的速度差別职烧，它的能量相當(dāng)高。我們認(rèn)為它可能正在加熱上層大氣防泵，改變其成分蚀之。