在今年3月24日，土星环曾从地球视角中“消失”。而没过多久，在5月7日，土星环再度“消失”。这接连两次消失是由什么导致的？光彩绚丽却变幻莫测的土星环背后究竟隐藏着怎样的秘密呢？
PART.01土星环
横看遮天蔽日，侧看薄如蝉翼
土星环由无数大小不一的碎块和颗粒组成，其主要成分是冰晶，此外也有一些岩石与尘埃。这些颗粒有的直径数米，有的则仅微米大小因此细不可见，它们充满间隙地散布在土星的赤道平面上。
由冰晶所组成的无数碎块在阳光下能反射出绚丽的色彩，较高的反射率使得土星环在望远镜下能清晰地为人所见。
但尽管如此，我们依然无法用肉眼观察土星环；甚至在伽利略最早用自制的望远镜发现土星环的存在时，他也未能分辨出其独特的环带形状，而是将它当作土星周围的“耳朵”或“手柄”，当成了两颗卫星。
土星环非常之宽，从内侧的D环到外侧的A环之间的距离约有7万到14万公里，这一宽度足以摆放十几个地球。
如果将土星环外部更为稀薄的环也算入其中，那么星环的整体宽度能达到30万公里以上，约为土星直径的2.5倍或地球直径的24倍。
但与此同时，土星环的厚度却仅为10米到100米。其宽度与厚度的比例如此悬殊，有着百万甚至千万倍的差距——要知道，一张A4纸的宽度也不过是纸张厚度的两千倍。因此，即使用“薄如蝉翼”这种词语，也无法形容土星环表面的宽阔与边缘的纤薄。
PART.02土星角度的变化
与土星环“消失”之谜
01土星环倾斜角的周期性变化
土星环呈现出了诡秘的形状与绚丽的色彩，但我们作为观察者始终立足于地球之上。地球与土星这两颗行星围绕着太阳旋转，前者公转周期为一年，而后者公转周期为29.46年。两者如同永不停歇的华尔兹舞者，始终变幻着其位置和距离。
与地球的黄赤交角类似，土星的自转轴与公转轨道之间也存在约为27度的夹角，因此土星并不会始终以同一角度朝向地球，土星环的倾斜角度会随着土星的公转，以约30年为一个周期不断起伏，其变化幅度约为50多度。
与此同时，地球的公转也会导致我们看向土星环的角度发生变化，让土星环倾斜角随着地球的公转周期发生小幅度的起伏。
土星光环对地球的倾斜角度随时间的变化
02
每15年一次，土星环定期“消失”？
当土星的赤道面与地球的视线完全平行，亦即土星环相对于地球的倾斜角变化到0度时，我们在地球上使用望远镜看到的土星环就会变得不易看到，甚至完全消失。
但这一“消失”不是真正的消失，如我们刚才所说，土星环的厚度远远低于其宽度，当我们从侧面观察这种薄如蝉翼的结构，土星环看起来就像是消失不见了，我们只能看到一个孤零零的土星。
这种土星环“消失”现象大约每13到15年就会发生一次。上一次“消失”正是发生在今年的3月24日，再上一次则发生在2009年9月4日。
摄影师Alan Friedman在2004-2009年间拍摄的土星照片，记录了土星光环在2009年的“消失”。图源：APOD
根据这一周期性规律，我们可以预知下一次土星环“消失”将发生于2038到2039年。
值得注意的是，由于地球公转所导致的土星环倾斜角小幅度波动，这种“倾斜角减小为零”的现象将在2039年前后反复发生三次，届时我们将在六个月内连续三次目睹土星环的“消失”。
其实土星环的“消失”并非一件坏事。这一明亮光环的消失将为科学家们提供绝佳的观测时机，对土星状况及其周围的卫星分布开展研究。
土星环平面穿越常常被比喻为从侧面观察一张平坦的纸张。 美国宇航局
03
太阳照射角度导致土星环“消失”
除了上述原因之外，土星环还可能在其他因素的影响下变得不可见。
例如，当太阳直射土星赤道时，能被光线照亮的就只有土星环薄薄的一层边缘，而土星环广阔的表面因为缺少太阳光的照射而变暗，看起来就像是消失了一样。
土星环于5月7日的那次“消失”，正是由这一原因所导致的。
PART.03土星环会真正消失吗？
土星所处的宇宙环境危险而复杂，与之相比，土星环这一松散、疏离而又纤薄的结构看起来显得格外脆弱。那么，土星环真的能一直存在下去吗？这一奇异和美丽的光环是否会在某一时刻骤然消失？土星是否会失去这一圈光彩的羽翼，只剩下孤零零的球体？
其实，科学家们对于这一问题早就有了研究。在土星磁场的作用之下，土星环的粒子会不断地坠入土星大气层，形成“环雨”，许多探测器的探测结果都表明了“环雨”现象的实际存在。
根据詹姆斯·奥多诺霍（James O'Donoghue）的研究，土星高纬度地区的“环雨”每半小时就能从土星环中抽取走相当于一个游泳池的水量。这意味着土星环的寿命可能不足1亿年。
因此，土星环可能并不是随着土星的出现而一同产生的，它们或许是后来才聚集形成的附属物，因为这一脆弱的结构很难伴随着土星的出现持续存在45亿年之久，相比于土星漫长的生命周期而言，土星环的存在可能只是昙花一现。
换句话说，人类足够幸运，出现在了有土星环存在的时刻里，这才没有与它的美丽擦肩而过。
作者：蝌蚪君
审核：刘颖 李培元
审核专家：刘勇 中国科学院国家空间科学中心研究员、中国航天科普大使
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