带有巨大行星环的土星是我们最熟悉的太阳系天体之一。土星环主体由尺寸大约在0.1毫米至10米的众多冰颗粒构成。它们集中在一起呈圆盘状,越亮的部分颗粒数目越多。土星环中最显眼的是最亮的“B环”及其外侧的“A环”。B环和A环之间有被称为“卡西尼环缝”的间隙。B环内侧的是较为暗淡的“C环”。
“土星环中的颗粒会像下雨一样向土星本体倾注”这一假设,在近年得到了越来越多的支持。
最初的证据是1981年美国航天局(NASA)著名的行星探测器“旅行者2号”发现的。旅行者2号使用特定波长的光观察土星时,在北纬44°、46°、52°附近发现了较暗的条带状图案。土星和地球一样存在磁场,追溯其磁场线,可以发现从北纬44°和46°发出的磁场线延续到C环和B环的交界附近;而从北纬52°发出的磁场线正好穿过卡西尼环缝的位置。
在C环和B环的交界附近,由于受到土星主体的引力和离心力,以及来自土星卫星的引力,构成土星环的颗粒的轨道会变得不稳定。在这个不稳定轨道上运行的颗粒中有一部分受阳光中紫外线的影响而带电。带电颗粒受到土星引力和磁场的作用,会沿着磁场线向土星坠落形成降水。于是,“雨水”在特定的纬度落下,冲开了土星大气层顶部的“薄雾”,降低了该位置的反照率,便形成了旅行者2号所看到的黯淡条纹。
为了验证这个假设,美国航天局戈达德航天中心的詹姆斯·奥多诺休(James O′Donoghue)团队于2011年使用夏威夷的凯克望远镜对土星大气层顶部由H3+离子(由3个氢原子形成的阳离子)发射的红外线进行了观测。H3+被认为是水和土星电离层反应的产物。结果不出所料,在对应位置观察到了条带状图案。奥多诺休团队进一步分析数据后发现,从土星环向土星倾注的水量可达每秒432~2870千克。
如果颗粒按照这个速度向土星坠落,大约3亿年后,土星环就会完全消失。
此外,2017年美国航天局土星探测器“卡西尼号”的探测结果表明,B环和C环的粒子将会直接倾注到土星赤道附近。如果加上这一点,那么土星环的寿命将进一步缩短到1亿年。还有相关研究表明,土星环的形成也不超过1亿年。不过,对土星环寿命估算的前提是整个土星环的颗粒都会向土星表面坠落,并且未来的降水量也会和现在一样。
今后如果能够观测到降水量的季节性变化,将有望对土星环的起源和未来发展有进一步的理解。构成土星环的颗粒,一边缠绕磁场线一边坠落。土星环的带电颗粒缠绕着磁场线呈螺旋状向土星坠落。观测结果表明,落在南半球的量比北半球更多。这可能是由于磁场线倾斜带来的影响。