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【前沿报道】Science专刊:遨游土星内环——卡西尼号的壮丽终章
2018-10-22 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  启程于1997年,抵达于2004年,闭幕于2017年,卡西尼号飞船(Cassini)围绕土星探索了12余年。为了避免偷渡在卡西尼号上的地球细菌污染土星卫星环境,在燃料耗尽之际,卡西尼号经过一系列变轨,最终进入土星大气层坠毁。在变轨阶段,卡西尼号22次近距离飞掠土星,穿越了土星与其最内环(D环)之间的空隙(图1),这一探测阶段被誉为“壮丽终章”(“Grand Finale”)。依据“壮丽终章”阶段记录的数据,科学家们对土星磁场、内辐射带、射电辐射、大气成分、D环与大气间物质传输等问题进行了深入研究。2018105日,Science期刊报道了这一系列

1   卡西尼号飞船在“壮丽终章”阶段的轨道(蓝色曲线)示意图

  近距离对磁场观测,有利于反演土星内部结构及动力学过程。Michele Dougherty 等人发现,土星磁赤道相对于土星赤道向北移动了约2800 km,证实了土星磁场存在南北不对称性。并且分析出磁轴与自转轴夹角小于0.01°,更严格地证实了土星内部磁场的轴对称性。此外,发现在高阶磁矩(411阶)中存在稳定的小尺度磁场结构,说明在土星内部半导电区域存在次级浅层发电机活动。除了内部动力学过程,对磁场的经向分量扰动的研究发现,在D环内边缘与土星之间存在很强的场向电流。这一场向电流连接到土星低纬电离层,其强度与高纬极区场向电流强度相当。

  低纬强场向电流说明D环以内存在着强烈的磁层活动,其中与航天器安全直接相关的是辐射带的变化。Elias Russos等人在D环之内发现了新辐射带区域,这一新辐射带与环外辐射带相互独立(图2)。在地球上,辐射带粒子同时受到局地加速、径向传输和损失机制的共同作用,过程复杂,研究难度大。而土星D环内的新辐射带提供了一个独立的环境,有助于分析辐射带的损失过程。这一区域在赤道面横跨1.03Rs1.22RsRs为土星半径),存在于土星大气外缘与D环外缘的D73小环之间的区域。此外,在1.12Rs处的D68小环将该辐射带分割成两部分。辐射带主要由宇宙线反照中子衰变过程产生的25MeVGeV量级的相对论质子组成。土星大气、D环以及背景尘埃使得高能质子被损耗,导致了各项异性的质子分布特征。

2   土星的质子辐射带

  土星环颗粒(水冰占比>95%)大到几米长的巨砾,小到纳米级的尘埃。微小的尘埃粒不断离开土星环进入土星大气。Shiang-Wen Hsu等与Donald Mitchell等分别用宇宙尘埃分析器(Cosmic Dust AnalyzerCDA)和磁层成像仪(Magnetospheric Imaging InstrumentMIMI)分析了大于几个纳米和1纳米左右的尘埃的成分与分布,首次给出了土星环物质坠入大气的直接观测结果。分析结果显示纳米级的尘埃粒主要由硅酸盐和水冰组成。其中硅酸盐成分占了近30%,高于土星环中硅酸盐的比例。坠落的尘埃能够改变土星高层大气及电离层的化学成分,Jack Waite等对大气及沉降物的成分进行了详细分析(图3),发现水、甲烷、氨、一氧化碳/氮分子、二氧化碳等能够从D环坠入大气,并对土星环的化学组成及其对大气的影响进行了讨论。

3   卡西尼号飞船对D环以内物质的质谱分析

  土星和木星这两颗气态巨行星形态复杂,不同结构相互耦合、相互影响。对巨行星的探测,有助于人类拓展对星系演化的认知,探究生命的起源,以及寻觅潜在的系外宜居环境。美国国家航空航天局(NASA)发射的卡西尼-惠更斯号土星探测器成功地完成了探索土星及其卫星的使命,解开了许多难题,同时也展示了众多的未解之谜。根据中国2016年发布的“十三五规划”,行星探索是我国的重点工作之一。中科院地质地球所研究员、院士与客座学者尧中华博士受Nature Astronomy期刊编辑邀请,系统阐述了中国的空间探测发展脉络以及未来对巨行星的探测计划。相信中国将在未来类木行星探测领域发挥至关重要的作用。   

  相关参考文献 

  1. Dougherty M K, Cao H, Khurana K K, et al. Saturn’s magnetic field revealed by the Cassini Grand Finale[J]. Science, 2018, 362(6410): eaat5434. 
  2. Hsu H W, Schmidt J, Kempf S, et al. In situ collection of dust grains falling from Saturn’s rings into its atmosphere[J]. Science, 2018, 362(6410): eaat3185.  
  3.  Lamy L, Zarka P, Cecconi B, et al. The low-frequency source of Saturn’s kilometric radiation[J]. Science, 2018, 362(6410): eaat2027. 
  4. Mitchell D G, Perry M E, Hamilton D C, et al. Dust grains fall from Saturn’s D-ring into its equatorial upper atmosphere[J]. Science, 2018, 362(6410): eaat2236. 
  5. Roussos E, Kollmann P, Krupp N, et al. A radiation belt of energetic protons located between Saturn and its rings[J]. Science, 2018, 362(6410): eaat1962. 
  6. Waite J H, Perryman R S, Perry M E, et al. Chemical interactions between Saturn’s atmosphere and its rings[J]. Science, 2018, 362(6410): eaat2382. 

  (撰稿:郭瑞龙/地球与行星室)

 
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