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土星是人类肉眼发现的距离地球最远的行星，自古以来就被人们所知。这颗行星是以罗马的农业和财富之神命名的（Saturn），他也是Jupiter（木星）的父亲。
土星是太阳系第二大行星，属于气态巨行星（Gas Giant），和气态巨行星木星一样，主要由氢（约96%）和氦（约3%）组成。土星并不是唯一有光环（rings）的行星，但没有一个像土星那样壮观和复杂。土星的环境不利于生命——这个星球的温度、压力和物质特征很极端，太不稳定，生物难以适应，这一点和木星很类似。虽然土星不太可能是生物扎根的地方，但它的一些卫星却并非如此。像土卫二和土卫六这样有内部海洋的卫星可能存在生命。土星的赤道直径约为120500公里，比地球宽9倍。如果地球有五分硬币那么大，那么土星就有排球那么大。土星与太阳的距离是9.5个天文单位（AU，从太阳到地球的距离）。从这个距离来看，阳光从太阳到土星需要80分钟。土星的白昼在太阳系中是第二短的（最短的是木星），一天只需要10.7小时（土星自转一周的时间），而土星绕太阳公转一周（土星时间的一年）大约需要29.4个地球年（10756个地球日）。它的轴线相对于它围绕太阳的轨道倾斜26.73度，这与地球的23.5度倾斜相似。这意味着，像地球一样，土星也会经历季节变化。
土星的三维模型，这是一颗带环的气态巨行星（来源：NASA可视化技术应用与开发（VTAD））
彩色巨像和变化的色调：在这张由美国宇航局卡西尼号飞船（Cassini spacecraft）拍摄的土卫六和土星的自然色彩照片中，一颗巨大的卫星出现在一颗正在经历季节变化的巨大行星之前（NASA/JPL-Caltech/空间科学研究所）
1.土星（Saturn）的结构
土星内部存在高压相变形成的分层结构（基于引力场、磁场及卡西尼探测器数据）。在土星的中心是一个由铁和镍等金属组成的致密核心——类似于木星的核心，但要小得多，周围是岩石物质和其他在高压和高温下凝固的化合物。它被液态金属氢包裹在一层液态氢中。
图片来源：NASA官网
岩石-冰核心
土星中心可能有一个由硅酸盐岩石、铁镍合金和冰组成的致密核心，质量约为15–20倍地球质量，温度超过12000 K（0℃=273K），压力高达1000万大气压（Helled et al., 2015）。核心半径约占土星总半径的10%。
液态金属氢层
核心外包裹着液态金属氢（Liquid Metallic Hydrogen），厚度约3万公里。此处压力超过200万大气压，氢因电离呈现金属特性，是土星强磁场的来源（磁场强度约为地球的580倍）（Dougherty et al., 2018）。
分子氢层
金属氢层向外过渡为液态分子氢（Liquid Molecular Hydrogen），厚度约2万公里。该层通过对流驱动形成土星大气中的高速带状风（赤道风速达1800 km/h）（Read et al., 2009）。
大气层
最外层为气体包层，主要成分为氢（96.3%）、氦（3.25%），以及痕量甲烷、氨和水冰云。大气分为 对流层、平流层和外逸层，云顶温度低至−185?C（Fletcher et al., 2020）。
土星环
土星环是八大行星中最有辨识度的星星特征。被认为是彗星、小行星或破碎的卫星的碎片，它们在到达土星之前就被土星强大的引力撕裂了。它们是由数十亿块小冰块（>99%）和岩石组成的，上面覆盖着灰尘等其他物质。环上的颗粒从尘埃大小的微小冰粒到像房子一样大的大块不等。一些粒子像山一样大。如果从土星的云顶看这些环，会发现它们大部分是白色的，有趣的是，每个环都以不同的速度绕着土星运行。土星环系统从行星延伸至28.2万公里，但主环的垂直高度通常约为10米（10~100m）。这些环之间的距离相对较近，除了一个宽度为4700公里的卡西尼环缝分隔环A和环B。主要的环包括：A、B和C。环D、E、F和G较暗，是最近才发现的。从土星开始向外，有D环，C环，B环，卡西尼环缝（Cassini Division），A环，F环，G环，最后是E环。在更远的地方，在土星卫星Phoebe的轨道上有一个非常微弱的Phoebe环。环的年龄可能不足1亿年（Tiscareno et al., 2019）。
表面
作为一颗气态巨行星，土星没有真正的表面。这颗行星的深处主要是旋转的气体和液体。虽然航天器没有地方可以在土星上着陆，但它也不可能毫发无损地飞过土星。行星深处的极端压力和温度会粉碎、融化和蒸发任何试图飞进这颗行星的航天器。
大气
土星被云层覆盖，这些云层看起来像微弱的条纹、急流和风暴。这个星球有许多不同深浅的...、棕色和灰色。在赤道地区，上层大气的风速达到500米/s。相比之下，地球上最强的飓风最高风速约为110米/s。而这种压力——你在深海潜水时所感受到的那种压力——是如此强大，以至于把气体挤压成液体。
土星的北极有一个有趣的大气特征——六面喷流（six-sided jet stream）。这种六边形的图案最初是在旅行者1号宇宙飞船的图像中发现的，此后卡西尼号宇宙飞船对其进行了更密切的观察。这个六边形的跨度约为30000公里，是一个波浪状的喷射流，风速为约每小时322公里，中心是一个巨大的旋转风暴。在太阳系的其他地方没有这样的天气特征。
磁圈
土星的磁场比木星的小，但仍然是地球磁场的578倍。土星、土星环和许多卫星完全位于土星巨大的磁层内，在这个空间区域中，带电粒子的行为更多地受到土星磁场的影响，而不是太阳风的影响。
当带电粒子沿着磁力线螺旋进入行星大气层时，就会出现极光。在地球上，这些带电粒子来自太阳风。卡西尼号表明，至少有一些土星的极光与木星的极光相似，而且基本上不受太阳风的影响。相反，这些极光是由土星卫星喷射出的粒子和土星磁场的快速旋转速率共同引起的。但是这些“非太阳起源”的极光还没有被完全理解。
土星磁场，卡西尼号的轨迹显示在子午面（Dougherty, M. K., et al. (2018)）
2.土星的形成机制
大约45亿年前，当太阳系的其他部分形成时，土星就形成了，当时重力把旋转的气体和尘埃拉进来，形成了这个巨大的气体。大约40亿年前，土星进入了它目前在太阳系外的位置，它是离太阳第六远的行星。和木星一样，土星主要是由氢和氦组成的，这两种元素也是构成太阳的主要成分。土星的形成符合核心吸积模型（Core Accretion Model），具体过程如下：
冰质核心吸积
在太阳星云冷却过程中，土星在“雪线”外（约5–10 AU）形成，此处温度足够低，使水、甲烷、氨等挥发物凝结为冰。冰质颗粒通过碰撞聚集成星子，最终形成质量约10–20倍地球质量的岩石-冰核心（Pollack et al., 1996）。
气体快速捕获
核心引力足够强时，开始吸积周围星云中的氢和氦，气体吸积速率呈指数增长，最终形成气态巨行星。此过程需在太阳星云消散前完成（约300–500万年）（Helled et al., 2014）。
轨道迁移
土星可能通过与原行星盘的引力作用或与木星的轨道共振（如“大迁徙假说”）迁移至当前轨道（9.5 AU）（Morbidelli et al., 2007）。
3.土星的卫星系统
土星拥有146颗已确认的卫星（截至2023年），分为规则卫星（形成于土星周围的原行星盘）和 不规则卫星（捕获的小天体），从土卫二（土星的卫星）喷出的水柱到烟雾弥漫的土卫六上的甲烷湖，再到表面到布满陨石坑的土卫九，土星系统是科学发现的丰富源泉，仍然有许多谜团。截至2023年6月8日，土星的轨道上有146颗卫星，其他卫星还在等待国际天文学联合会（IAU）对它们的发现和正式命名的确认。
土星及其卫星（图片来源：NASA官网）
主要卫星如下：
3.1主要规则卫星
土卫一（Mimas）
结构：表面布满撞击坑，包括直径130公里的赫歇尔撞击坑，使其形似“死星”。
特征：内部可能未完全分化，缺乏显著地质活动（Tajeddine et al., 2014）。
图片来源：NASA官网
土卫二（Enceladus）：
结构：直径约500公里，表面覆盖纯净水冰，内部存在全球性液态水海洋（深约10公里）。
特征：南极喷发水冰和有机物羽流，喷发物直接补充土星E环（Postberg et al., 2011）。
这张照片显示了土卫二南部的沟槽。该图像是由美国宇航局卡西尼号航天器于2011年11月6日获取的合成孔径雷达（SAR）数据制作而成的。提供了该地区沟槽状水冰基岩的特写视图。该SAR图像中的阴影也强调了散布在大沟槽周围地形中的地表较小的波动。这些似乎是相对年轻的特征，可能是由于土星引力的影响，土卫二地壳的延伸或撕裂而形成的。由于雷达照明来自右上方（垂直于条纹），沟槽的上斜坡是暗的，而下斜坡（左）是亮的。对斜坡及其阴影的分析显示，中央突出的沟槽约有650米深，2公里宽，坡度约为33度。这个巨大的沟槽类似于土卫二著名的“虎纹”。这些巨大的裂缝是从南极地区喷出的冰粒和水蒸气的来源。它们比表面的其他部分要温暖得多，表明存在地下热源。土卫二的这些图像与土星最大的卫星土卫六的图像有些相似。（来源：NASA/JPL-Caltech/空间科学研究所）
土卫四（Dione）与土卫五（Rhea）：
结构：冰质表面含裂缝和冰悬崖，可能因潮汐加热产生内部液态水层（Schenk et al., 2018）。
Dione
Rhea（图片来源：NASA官网）
土卫六（Titan）：
结构：太阳系第二大卫星，拥有稠密大气层（地表气压1.5倍地球），含氮（95%）和甲烷（5%）。
特征：表面存在液态甲烷湖泊、沙丘和冰火山，内部可能有一个液态水-氨海洋（Hayes et al., 2018）。
图片来源：NASA官网
3.2不规则卫星
土卫九（Phoebe）：
直径约213公里，逆向轨道，表面富含碳质物质，可能源自柯伊伯带（Johnson et al., 2005）。
图片来源：NASA官网
3.3牧羊犬卫星
土卫十五（Pan）与土卫十六（Daphnis）：
位于土星环缝中，通过引力作用维持环的边界清晰（“牧羊犬效应”）（Tiscareno et al., 2010）。
4.卫星系统的形成与演化
规则卫星：形成于土星周围的环绕行星盘（circumplanetary disk），通过吸积冰和岩石颗粒聚集而成（Canup & Ward, 2006）。
潮汐加热：土卫二和土卫六的内部海洋由土星引力潮汐摩擦提供能量（Nimmo et al., 2007）。
撞击与迁移：部分不规则卫星可能被土星捕获，其轨道受太阳系动力学演化影响（Nesvorn? et al., 2007）。
参考文献
1.NASA官网https://science.nasa.gov/solar-system/planets/
2.NASA官网https://science.nasa.gov/jupiter/jupiter-facts/#h-structure
3.Helled, R., et al. (2015). Saturn’s Deep Atmospheric Flows Revealed by the Cassini Grand Finale Gravity Measurements. Nature, 562(7728), 550-553.
4.Dougherty, M. K., et al. (2018). Saturn’s Magnetic Field Revealed by the Cassini Grand Finale. Science, 362(6410), eaat5434.
5.Postberg, F., et al. (2011). A Salt-water Reservoir as the Source of a Compositionally Stratified Plume on Enceladus. Nature, 474(7353), 620-622.
6.Hayes, A. G., et al. (2018). Topographic Constraints on the Evolution and Connectivity of Titan’s Lacustrine Basins. Geophysical Research Letters, 45(21), 11-729.
7.Canup, R. M., & Ward, W. R. (2006). A Common Mass Scaling for Satellite Systems of Gaseous Planets. Nature, 441(7095), 834-839.
8.Tiscareno, M. S., et al. (2010). Physical Characteristics and Non-keplerian Orbital Motion of Propeller Belts in Saturn’s Rings. The Astrophysical Journal Letters, 718(2), L92.
9.Nimmo, F., et al. (2007). Shear Heating as the Origin of the Plumes on Enceladus. Nature, 447(7142), 289-291.
