的大气土星

组成及结构

从地球，土星有一个整体朦胧的黄褐色外观。通过望远镜和航天器图像看到的表面实际上是由许多小尺度特征装饰的复杂的云层，如红色、棕色和白色的斑点、带状、涡流和漩涡，这些特征在相当短的时间内会发生变化。在这方面，土星就像一个平淡而不那么活跃的木星。1990年9月至11月期间出现了一个壮观的例外，当时赤道附近出现了一个巨大的浅色风暴系统，扩大到超过20,000公里(12,400英里)，最终蔓延到整个地球赤道在消退。与此印象相似的风暴大白点”(在类比比如木星的大红斑)，从19世纪晚期开始，每隔30年就会被观测到一次。这接近于土星29.4年的轨道周期，这表明这些风暴是季节性现象。

土星的大气层主要由分子组成氢而且氦．这两种分子的确切相对丰度尚不清楚，因为氦必须间接测量。目前最好的估计是行星的大气中有18%到25%的氦。剩下的是氢分子和大约2%的其他分子。与氢相比，氦的含量较少作文的太阳．如果氢、氦和其他元素的比例与太阳大气中的比例相同，那么土星大气的质量将是71%的氢和28%的氦。根据一些理论，氦可能是从土星的外层沉淀下来的。

在土星大气中观察到的其他主要分子有甲烷而且氨相对于氢的含量，它是太阳的2到7倍。硫化氢而且水也被怀疑存在于更深层的大气中，但没有然而,被发现。已经检测到的小分子光谱方法来自地球的包括磷化氢，一氧化碳,与此密切相关。这样的分子在地球上的富氢大气中是无法检测到的化学平衡．它们可能是土星深层大气中高压和高温反应的产物，远低于可观测的云层，这些反应被对流运动输送到可见的大气区域。在土星的平流层中还观察到其他一些非平衡碳氢化合物:乙炔，乙烷，并且，可能，丙烷而且甲基乙炔。后者均可由光化学效应产生(看到光化学反应)源自太阳能紫外线辐射或者，在高纬度，高能电子沉淀来自土星辐射带(见下文磁场和磁层)．(在木星大气中观察到类似的分子组成，由此推断出类似的化学过程;看到木星:成分的比例。）

地球上的天文学家分析了穿越土星的宇宙飞船发出的星光和无线电波的折射(弯曲)大气获取有关大气的信息温度在压力从百万分之一巴到1.3巴的深度。在压力小于1毫巴时，温度大致稳定在140 - 150之间开尔文年代(K;−208 ~ 190°F，−133 ~ 123°C)。一个平流层它的温度随着压力的增加而稳步下降，从1毫巴下降到60毫巴，在这个水平上，土星大气中最冷的温度达到82 K(- 312°F， - 191°C)。在更高的压力(更深的压力)下，温度再次升高。这个区域是类似的到地球大气层的最底层，也就是对流层，其中温度随压力的升高遵循a压缩的热力学关系气体没有热量的增加或损失。在1巴的压力下，温度为135 K(- 217°F， - 138°C)，并且在更高的压力下继续升高。

土星可见的云层是由微小分子形成的化合物在富含氢的大气中凝结。虽然光化学反应形成的粒子悬浮在大气的高空，其压力相当于20-70毫巴，但主要的云层开始于压力超过400毫巴的高度，最高的云层被认为是由固体形成的氨晶体。氨云甲板的底部预计出现在约1.7巴的深度，在那里氨晶体溶解到氢气中并突然消失。几乎所有关于深层云层的信息都是通过建立化合物行为的化学模型间接获得的，这些化合物可能存在于近太阳气体中作文根据土星大气的温度-压力分布。依次较深的云层底部出现在4.7 bar(硫化氢铵晶体)和10.9 bar(水)冰含氨水滴的晶体)。虽然上面提到的所有云在纯净状态下都是无色的，但实际的土星云显示出各种黄色、棕色和红色的阴影。这些颜色显然是由化学杂质产生的，也许是由于光化学产物从上方降落在云层上。磷含有-的分子也是候选着色剂。

土星轴向大倾斜的结果是土星环在冬季半球投下了黑暗的阴影，进一步减少了冬季暗淡的阳光。卡西尼号拍摄的北半球冬季被阳光照射的大片图像显示了令人惊讶的清晰蓝色大气，这可能是光环阴影中相对缺乏光化学烟雾产生的结果。

即使在土星大气层深处的超高压力下，82 K的最低大气温度也太高了，氢分子无法以气体和液体的形式同时存在平衡．因此，在可见的浅层大气中，氢主要表现为气体，而在较深的大气中，氢表现为液体，两者之间没有明显的界限。与地球的情况不同，土星的对流层并不终止于固体表面，而是明显地延伸到可见的云层下数万公里，逐渐变得更加稠密和温暖，最终达到数千开尔文的温度和超过100万巴的压力。

动力学

和其他巨行星一样，土星有一个大气环流这是由纬向(东西)流。这体现本身作为一种模式的较亮和较暗的云带类似木星虽然土星的光环颜色更微妙，在赤道附近也更宽。云顶的特征对比度很低，最好由宇宙飞船来研究。

由于土星没有表面，它的风必须相对于其他风来测量参考系．与木星一样，风是根据土星磁场的旋转来测量的。在这个框架中，几乎所有土星的大气流动都是向东的——旋转的方向。在纬度低于20°的赤道地区，有一股特别活跃的东向气流，其最大速度接近每秒470米(每小时1700公里[1050英里])，但在速度为每秒200米(每小时700公里[450英里])时速度较慢。这个特性是类似的它的纬度是木星的两倍，移动速度是木星的四倍。相比之下，地球上最大的风发生在热带气旋在极端情况下，持续速度可能超过每秒67米(240公里[150英里]每小时)。

土星赤道附近的纬向流非常对称;也就是说，在一个给定的北纬上，通常都有一个在相似的南纬上的对应。强烈的向东气流——那些向东的相对速度超过每秒100米(每小时360公里[225英里])的气流——在46°被观测到N在北纬40°、55°和南纬70°处，可以看到在南纬60°左右几乎静止不动的西向气流“航行者”号与土星相遇后，地球上仪器的改进使得可以在远处观测土星的云层。经过多年的观测，这些数据往往与旅行者号对纬向流的详细观测相一致，因此证实了它们随着时间的推移而稳定。射流在大气存在下保持射流流动的机制摩擦不知道。

强烈的类似飓风的气旋涡在土星南北两极约11°的范围内被发现。南极涡的暖眼直径为2000公里(1200英里)，周围环绕着50至70公里(30至40英里)高的极地云。地球南半球的热带气旋也有温暖的中心眼，顺时针流动，被高云环绕，但规模都要小得多。与地球上的飓风不同，土星漩涡下没有海洋。北纬75°的北部涡旋以南的第一股急流沿行星周围呈六角形。云的特征被观察到以大约每秒100米(每小时360公里[220英里])的逆时针方向围绕六边形移动。在旋转流体桶中也观察到类似的角度模式，可能是由相互作用的波引起的。为什么六方波是稳定的，以及它是如何在土星大气的这个特定纬度发展的，目前还不清楚。

在大气中还观察到各种各样的小尺度特征。尤其引人注目的是大约24个类似大小(直径1500公里[930英里])的云层间隙，它们几乎均匀地分布在经度100°的北纬33.5°附近。在土星热发射的红外图像中，这些间隙看起来像一条明亮的“珍珠链”，横跨整个行星。在南半球，短波无线电通信卡西尼号在35°s经常探测到闪电风暴的辐射，其强度是地球上的数百倍，持续数周至数月。雷暴中心与厚厚的浅色云特征有关，显然是由水蒸气驱动的强对流运动产生的。北部云层清除的纬度和南部闪电风暴的纬度都是快速西风区，与地球上大多数其他纬向气流相反。

一般南北对称这表明纬向流可能在内部深处以某种方式相互联系。对土星等深对流流体行星的理论建模表明，差动旋转倾向于沿围绕行星平均旋转轴(看到图)。因此，土星的大气层可能是由一系列南北对齐的同轴圆柱体组成的，每个圆柱体以独特的速度旋转，这就产生了在表面看到的纬向喷流。这些圆柱形层直到大约9000公里(5600英里)的深度才开始一起旋转，这比木星上的微分旋转停止的深度要深得多。