各大行星间有哪些不同之处？

天文科普
20年10月5日
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各大行星间有哪些不同之处？
太阳系外侧的四大行星在许多地方都与地球迥异，同时又与较靠近太阳的几颗行星有许多相似之处。例如，它们的密度都小于地球，这就表明它们的组成成分与地球截然不同。这一点将在后面章节中介绍。此外，它们都具有巨大而厚实的大气层，外围罩有终久不散的浓云，看起来就好像是这些星体的外衣（我们无法看到这些星体的真正外表）。
四大行星中距离太阳最近的要算是木星了。它从太阳那里获得的能量最多。因此，它的大气层总是风暴漫卷，其中最主要的要算是龙卷风了。这种龙卷风比地球上的龙卷风要大得多。人们由其颜色而称之为“大红斑”。这一现象最先是由英国科学家罗博特·胡克于 1664 年发现的。
土星和天王星比木星要安静得多。但人们通过“旅行者-2 号”探测器于 1989 年对位于四大行星最外侧的“海王星”的观测中发现：“海王星”上的风力与木星不相上下。科学家们无法解释这一现象，同时在“海王星”上也有和“大红斑”形状相似的“大黑斑”（木星则的的确确是一个庞然大物，太阳系中除太阳之外，木星占了所有星体质量总和的 70 ％）。
这些大行星都拥有为数不少的卫星。其中大多数体型较小，不过也有例外，如伽利略在 1610 年发现的木星的四颗卫星的形体都接近甚至超过了月亮。此外，海更斯于 1655 年发现的土星的卫星“土卫六”，英国天文学家威廉·拉萨尔于 1846 年发现的海王星的卫星“海卫一”也都如此。
上述四大行星中，天王星的自转形态比较特殊，所有行星的自转轴都或多或少是倾斜的。比如说地球，其自转倾角约为 25 度，土星和海王星也差不多。木星也有自转倾角，只不过没地球的自转倾角那么大而已。而天王星的自转倾角竟接近 180 度，以至于我们观测到的天王星好像是在“躺”着围绕太阳旋转。天王星的公转周期为 84 年，在前半周的 42 年中，其北极直指太阳，而在后半周的 42 年中，其南极直指太阳。据天文学家们推测，行星具有自转倾角的原因有可能来自于它们与小型星体的碰撞。当行星所受某一方向的碰撞大于另一方向的碰撞时，将产生向该方向的倾斜，从而造成自转轴的倾斜。根据这一推断，天王星很可能在某一侧所受的碰撞力远远大于另一侧所受的碰撞力，才造成如此大的自转倾角。
在这四大行星中，土星最具研究价值。当伽利略首次利用自己的天文望远镜对其进行观测时，它还是人们所知距太阳最远的行星。限于条件，伽利略也无法对其进行仔细研究，即使如此，他仍发现：在土星两侧各有一大块突起。难道土星是由三部分组成的？这使伽利略大惑不解，最终，他于 1612 年放弃了进一步的研究。1614 年，德国天文学家克里斯托弗·斯更那通过天文望远镜观测到所谓土星两侧的“突起”就像是一个茶杯把儿一样的东西。这一悬念一直未能得到解决。直至 1655 年，海更斯在观测时发现：有一条“环状带”围绕着土星，但又未与其接触。 1675 年，卡西尼注意到该“环状带”好像被一劈两半，中间出现了一条“黑色斑纹”。这条“斑纹”被称为“卡西尼环缝”，此名称一直沿用至今。土星光环比土星本体还要亮，并且十分庞大。利用天文望远镜来观测，它们共同显现出一种奇妙而绚丽的光彩。土星光环长端直径为 27.2 万公里，这得需要 21.5 个像地球这么大小的球体排成一队才能从土星光环的一头走到另一头。光环的宽度是土星的 2 倍还要多，当然，它们很薄，就像一张正在播放着的唱片，其质量只占土星本体质量的一小部分。土星光环究竟是什么呢？它是不是以一个完整的环状形态存在呢？
1859 年，英国数学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦指出，如果土星光环是完整的，那么土星本体的潮汐作用将不停地、有力地迫使其来回振荡，并最终使之土崩瓦解。他断定土星光环是由无数独立的个体组成的，而人们之所以觉得它是完整的，主要是因为它离我们太遥远了，正如我们从远处看沙滩好像是陆地那样完整地延伸，而只有走到近处才能发现沙滩上有无数的沙粒。
如此说来，那么为什么土星会有光环呢？
1850 年，法国天文学家艾度瓦德·罗切曾致力于研究，他想如果月球以更小的公转半径绕地球旋转，将会出现什么样的现象呢？经过研究，他发现：地球对月球的引力与月球公转的轨道半径的立方成反比，即如果月球公转轨道半径减至现在的 1/2，则地球对其引力将增至现在的 8 倍；而当该半径减至现在的 1/3 时，则地球对其的引力将增至现在的 27 倍。以此类推。
罗切认为当月球与地球的距离只有地球半径的 2.44 倍，即达到所谓“罗切极限”时，地球的吸引力将足以使月球分裂成无数碎片。地球的半径为 6350 公里，这样算来，月球与地球间距离必须大于 15500 公里，即只有其实际距离的 1/25（当然，如果月球距离如此之近，那么地球也将受到来自于月球相等的引力，但由于地球本身的重力吸引作用，并不会分裂）。如果在与地球距离小于“罗切极限”的范围内存在有微型天体，那么地球的引力将阻碍其形成一颗类似于月球的卫星。
土星的“罗切极限”为其半径的 2.44 倍，即 14.64 万公里。在此范围内的微星体在土星引力的作用下根本无法组成一个完整、单一的卫星。又由于引力随微星体体积的减小而减弱，故越是小型的星体，越不易裂断。
多年来，天文学家们一直在对只有土星才拥有光环这一问题迷惑不解。1977 年，人们终于发现了天王星也拥有这样的光环。那年，当天王星从一个星体面前通过时，这个星体本身所发出的光在天王星靠近它之前几次变暗，这是因为有光环遮盖的缘故。天王星的光环实在太小、太稀薄、太暗了，人们从地球上几乎无法看到它们，而只有当科学卫星的探头上的相机拍到它的光环后，人们才能从照片上清晰地见到它。此外，木星和海王星也各自拥有小的光环。
实际上，上述四大行星都拥有光环，但是为什么唯独土星的光环如此之大，如此之亮呢？这是否与其过小的密度有关呢？天文学家们至今仍未解开这个谜。