土星是太阳系第二大行星,体积约为地球的700多倍。虽然以“土”为名,但它没有陆地,而是一颗庞大的气态行星,平均密度比水还要轻,质量仅为地球的95倍。土星也是太阳系中公转速度最慢的行星,它绕太阳运行一周的时间相当于地球上的29.5年。基于这一特点,我国古人称土星为“镇星”,因为按照古代的星宿体系,沿黄道带的群星被划分成“二十八宿”,在古人的观测中,土星差不多每年会运行到一个星宿附近,如同“镇守”一样,故得此名。
土星的英文名“Saturn”,来自罗马神话中的农神萨图恩,他是众神之王朱庇特的父亲,和土星相邻的木星的英文名Jupiter,就是朱庇特的名字。土星虽然公转速度慢,自转速度却很快,仅需10小时33分就可以完成一次自转。低密度和快速自转的特性,让土星在太阳系各大行星里外形最扁,赤道直径比两极直径长10%。
我们在地球上,通过望远镜就能观测到位于土星赤道面的明亮光环,它是土星最显著的外形特征。土星环并不是一个完整的环带,它由7个宽度不等的小星环构成,主要成分是冰块和少量的岩石。土星环的平均宽度达20万千米,可以将十个地球并排放入,但它的平均厚度却仅有十几米。当土星环相对于地球的倾斜角近似0度时,在地球上只能看到它的侧面,由于厚度与宽度的对比悬殊,土星在观测中仿佛光环消失了一样,这一现象大约每隔15年会发生一次。
近年来,越来越多的天文爱好者开始关注土星上一个令人惊叹的奇观。2007年,美国宇航局“卡西尼号”探测器传回的图片显示,在土星北极大气层的对流层,有一个庞大的六边形涡旋云层在不停地沿逆时针方向旋转着,它的六条边形状规则,长度基本一致。早在1981年“旅行者号”探测器飞经土星时,就发现了这个神秘的六边形的踪迹,说明它至少在近30年的时间里一直保持着稳定的形态。这个六边形涡旋的边长约为14500千米,围绕其中心旋转的速度几乎与土星自转的速度相同。在它内部,还有一些以数百千米每小时的速度旋转的小涡旋,却不会对六边形的图案造成破坏。“卡西尼号”拍摄的彩色图像显示,在2012年至2016年,六边形涡旋从蓝色变成了金色,可能和土星大气层中的光化学烟雾增加有关。
大气中的涡旋现象并不罕见,但地球上出现的涡旋都是圆形结构,目前没有在太阳系的其他行星发现过类似的形状,甚至在土星南极大气中发现的涡旋也都不是六边形的。牛津大学的研究人员在实验室里用液体做了模拟实验,发现当液体在圆形容器的中心和外围以不同的速度旋转时,在不断撞击到容器壁再反弹回来的过程中,容器中出现了许多较小的涡旋,在它们的相互作用下,旋转的液体的边缘呈现出波浪状,最终呈现出多边形的形状,其中也包括六边形。但是,这一实验并不能完全还原土星的大气层特征,关于这个六边形涡旋成因的谜团,还有待继续揭开。