的环系统

1610年伽利略这是美国宇航局第一次用原始卫星观测土星望远镜促使他报告:

土星不是一颗单一的恒星，而是三颗恒星的组合，它们几乎相互接触，彼此之间从不改变或相对移动，沿着太阳轨道排成一排星座，中间的那只比那只大三倍横向的人。

两年后，他困惑地发现望远镜里的图像变成了一个单一的物体;地球穿过土星环平面，从侧面看，土星环基本上消失了。后来的观察告诉伽利略，奇怪的侧附肢又回来了。显然，他从来没有推断出附属物实际上是一个圆盘围绕地球．

荷兰科学家克里斯蒂安·惠更斯他从1655年开始用改进的望远镜研究土星，最终推断出光环的真实形状，以及光环平面基本上倾斜于土星轨道的事实。然而，他认为这些环是一个厚度相当大的固体圆盘。1675年，这位意大利出生的法国天文学家吉安·多梅尼科·卡西尼卡西尼在圆盘内发现了一个巨大的缺口——现在被称为“卡西尼区”——使人们对固态环的可能性产生了怀疑，这位法国数学家和科学家也表示怀疑皮埃尔西蒙拉普拉斯在1789年发表了一种理论，认为土星环是由许多更小的部件组成的。1857年，苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·马克斯韦尔从数学上证明了只有当它们组成大量的小粒子，这一推论在大约40年后被美国天文学家证实詹姆斯·基勒．

今天我们知道，土星环虽然巨大，但也非常薄。主环的直径为27万公里(17万英里)，然而它们的厚度不超过100米(330英尺)，它们的总质量只有1.5 × 10¹⁹千克，大约是土星质量的0.41倍月亮土卫一(见下文重要的卫星)．如果把暗淡的外环包括在内，整个环系的跨度接近26,000,000公里(16,000,000英里)。（看到图。)

像其他巨行星的光环一样，土星的主要光环位于经典光环内洛希极限．这个距离，在理想情况下是2.44土星半径(147,000公里[91,300英里])，代表了一个相当大的卫星在被潮汐力撕裂之前可以接近其更大质量行星母星中心的最近距离。相反地，在罗氏极限内的小天体被潮汐力阻止聚合变成更大的物体。这个极限只适用于由万有引力结合在一起的物体;它不限制一个相对较小的物体的稳定性，对这个物体来说，分子内聚比倾向于把它拉开的潮汐力更重要。因此，大小在几十公里或更小范围内的小卫星(和人造卫星)可以在罗氏极限内无限期地存在。

虽然组成土星环的单个粒子不能直接看到，但它们的大小分布可以从它们对光和无线电信号散射的影响中推断出来传播穿过恒星和宇宙飞船的光环。这项分析揭示了从厘米到几米的广泛和连续的颗粒尺寸谱，较大的物体在数量上明显少于较小的物体。这种分布与最初较大物体的重复碰撞和粉碎所预期的结果一致。在环的某些部分，碰撞明显更频繁，甚至更小(尘埃大小)的颗粒也存在，但由于各种损失机制，这些颗粒的寿命很短。小颗粒的云显然获得了电荷，与土星的相互作用磁场,清单它们以移动的楔形辐条的形式，在环的平面上径向延伸。虽然轮辐经常被观察到“航行者”号在卡西尼号执行任务期间，直到2005年9月，它们才被发现，这可能是一个不同的影响的迹象太阳带电粒子产生的角度。辐条可能是季节性的，只在周围的时期出现昼夜平分点．更大的天体被称为环卫星，直径在几公里左右，可能存在于主环内，但只有少数被探测到。有证据表明瞬态“碎石堆”卫星不断地被引力、碰撞和密集环内不同轨道速度的相互竞争效应所创造和摧毁。

这些环强烈地反射阳光，对反射光的光谱分析显示了水的存在冰除了颜色较深的污染物。因为土星环的质量很低，所以它们很可能非常年轻，年龄在1000亿年到1亿年之间。因此，可以想象，主要的环是由a的破裂产生的彗星．另一种可能性是卫星的大小和作文的特提斯海或土卫四解体。新的环系统可能会比现在的环大得多，并且可能会缩小，可能是通过形成像特提斯这样的冰冷的内部卫星。

环上的物质可以通过光离或微陨石撞击而带电。一旦带电，这种物质就可以沿着磁场线迁移到地球的电离层。每秒钟有432到2870公斤(952到6327磅)的环物质落入电离层。按照这个速度，土星环将在2.92亿年后消失。

主环系统显示了许多尺度上的结构，从三个宽广的主环-命名为C, B和A(按与土星的距离增加的顺序)-从地球到地球都可以看到无数单个组成的小环，其宽度在千米数量级。这些结构为科学家研究引力提供了沃土共振和集体许多小粒子近距离运行的影响。虽然许多结构已经在理论上得到了解释，但仍有大量结构保留下来神秘的，目前仍缺乏对该系统的全面综合。因为土星环系统可能是模拟行星形成的原始圆盘状粒子系统，对它的理解动力学进化已经影响关于太阳系本身的起源(看到太阳系:太阳系的起源)．

环的结构可以用它们来大致描述光学深度是与土星距离的函数。光深度是量的量度电磁辐射在通过介质时被吸收的。，一朵云，那大气一颗行星，或空间中粒子的区域。因此，它可以作为平均值的一个指标密度媒介的。完全透明介质的光学深度为0;随着介质密度的增加，数值也随之增加价值．光学深度取决于波长辐射以及介质的类型。在土星环的情况下，几厘米或更长的无线电波长在很大程度上不受最小的环粒子的影响，因此遇到的光学深度比可见波长更小，也更短。

的B环是最亮，最厚，最宽的光环。它的半径在1.52到1.95之间，光学深度在0.4到2.5之间，精确的值取决于与土星的距离和光的波长。(土星的赤道半径为60,268公里[37,449英里]。)它在视觉上与外环A环分开，由卡西尼环缝这是主环中最突出的缺口。卡西尼区位于土星半径1.95到2.02之间，并不是没有粒子，其光学深度呈现出复杂的变化，平均值为0.1。的一枚戒指从2.02到2.27土星半径，光学深度为0.4到1.0。在B环的内部是第三个主要的环C环(有时被称为可绉环)，在1.23到1.52土星半径，光学深度接近0.1。C环的内部在土星半径的1.11到1.23处脆弱的D环，对穿过它的星光或无线电波没有可测量的影响，仅在反射光中可见。

A环的外部是狭窄的F环土星半径2.33。F环是一个复杂的结构，根据卡西尼号的观测，它可能是一个紧密缠绕的螺旋。在A环和F环之间，沿着内月球阿特拉斯的轨道分布，是一条薄薄的物质带，可能是月球脱落的。

更远处是脆弱的G环，具有仅0.000001的光学深度;它的半径约为土星的2.8倍，最初是通过它对土星磁层中带电粒子的影响而被探测到的，在旅行者号的图像中隐约可见。卡西尼号在2008年拍摄的照片显示，在G环中存在一颗小卫星Aegaeon直径约0.5公里(0.3英里)。这颗卫星可能是G环的几个母天体之一。土星A环外的光环是类似的来木星的环，因为它们主要由卫星不断脱落的小粒子组成。

G环之外是极其宽广和弥散的E环，范围从3到至少8个土星半径。卡西尼号的观测已经证实，E环是由来自月球南极附近热活跃区域(热点)间歇泉(冰火山活动的一种形式或冰火火山活动)的冰粒组成的土卫二．

从128到207土星半径，远远超出了其他光环，是最外层，一个巨大的，脆弱的撞击月球时形成的尘埃环菲比．它是太阳系中最大的行星环。的斯皮策太空望远镜发现了这枚戒指;它的观测显示其光学深度为2 × 10⁻⁸．与其他光环不同的是，这个尘埃环的倾角与菲比的轨道相同。其他小卫星也有纤细的环或环弧，包括同轨道卫星土卫十一、土卫十一、土卫十一、安塞特和帕伦。

在主要的环区光学深度分布中出现了大量的间隙。一些主要的空白以与土星研究有关的著名天文学家的名字命名(见下文地球观测)．除了卡西尼号，他们还包括科伦坡号，麦克斯韦C环内的Bond和Dawes间隙(分别为1.29,1.45,1.47和1.50土星半径);的惠更斯的差距(1.95土星半径)，在B环的外缘;的Encke差距(2.21土星半径)，a环外围有一个缺口;和基勒的差距(2.26土星半径)，几乎在A环的外缘。在这些空隙中，只有恩克在宇宙飞船探索土星之前就已经知道了。

在旅行者号访问之后，科学家们从理论上推断，在间隙区域内运行的约10公里(6英里)大小的卫星的引力作用下，粒子可以从一个区域清除，形成一个间隙。1990年，在旅行者号的图像中，在恩克间隙中发现了这样一颗卫星潘，并在卡西尼号的图像中再次记录下来。（看到视频。)达佛涅斯它是在2005年卡西尼号的图像中发现的。类似的卫星可能存在于惠更斯和麦克斯韦空隙中。卡西尼号宇宙飞船在A环中发现了超过150颗100米(300英尺)的小卫星，这些小卫星在它们的尾迹中留下了螺旋桨状结构。卡西尼号还在B环中发现了一颗400米(1300英尺)的小卫星，尽管它似乎没有清除一个缺口。

其他理论表明，在轨道上的环区域也可以清除间隙共振如果卫星的轨道基本上在土星环的内部或外部。的条件共振就是月球和环粒子的轨道周期是整数之比。在这种情况下，一个给定的环粒子将总是在其轨道上的同一点接近月球，并且随着时间的推移，对粒子轨道的引力扰动将逐渐增加，最终迫使粒子失去精确的共振。如果月球在环外运行，它就会收到信号角动量从共振环粒子中，反过来，在环中发射一个紧密缠绕的螺旋密度波，如果共振足够强，最终会清除一个间隙。B环外边缘和卡西尼区内边缘的边界区域与卡西尼区有2:1的共振土卫一这意味着土卫一的轨道周期是位于该半径的环粒子的两倍。从这样的共振预测，边界不是完美的圆形，但显示偏差在半径上形成两瓣形状。虽然这个边界的位置清楚地显示了共振在雕刻卡西尼分裂内部边缘的影响，但其余的分裂结构还没有完全了解。同样，A环的外缘与同轨道卫星土卫十一和土卫十一的共振比例为7:6 (见下文轨道和旋转动力学)，有七个裂片。这种共振效应在整个环系中都能看到，但许多类似的特征不能这样解释。总的来说，已知的卫星和共振的数量远远不足以解释土星环系统中成千上万个小环和其他精细结构。

数据对于环的总结在表格