1997年10月15日，卡西尼號離開地球，帶著人類的期冀開啟了探測土星的旅程。在環繞土星13年後，於2017年9月15日，完成了自己的Grand Finale：即為了保護可能有潛在宜居性的衛星，選擇墜入土星大氣層。
在俯衝的過程中，卡西尼號雖然已經逐漸解體，但它的內部設備仍不忘向地球傳送最後一批數據。卡西尼號科學家Spiker這樣說道：“人類需要對卡西尼號13年來收集的數據進行一次全面的梳理，從而獲得一個相對完整連貫的土星圖景。但實際上，我們已經迫不及待想知道卡西尼號最後都發現了什麽。”
?NASA
在卡西尼號最後的俯衝中，它穿過了土星環最內環D環與土星赤道上空大氣層的縫隙。卡西尼自身攜帶的INMS，即離子中性質譜儀，可以測量物質的組成。它探測了土星最上層大氣的成分，並利用INMS設備中的CSN模式獲得了對於土星大氣層中性分子的測量結果。
土星系統整體結構 ?NASA
土星大氣層成分預測模型 ?SCIENCE
上圖展示了土星大氣層成分預測結果，橫軸代表氣體密度，豎軸代表高度。這個預測模型沿用了土衛六的研究結果，結合卡西尼號的觀測數據，修改了引力參數及其他必要的影響因素。
土衛六大氣層 ?NASA
預測的結果顯示，土星大氣層密度為4.7*10-15g/cm3，由至少86%氫氣，13.55%氦氣和0.45%甲烷構成（圖中依次用黑色粗線、紅色粗線和深藍色粗線表示）。D環最內部邊緣高度在6000千米以上，大氣層最高的地方也有近3500千米。隨著高度降低，氣壓越來越高，三種氣體的密度都逐漸升高，其中甲烷密度變化最快。
科學家們對於甲烷的來源比較好奇：由於甲烷比較重，不太可能從下方大氣層浮到最上方大氣層，所以它很來自土星環。
土星環中帶有甲烷的冰飄到土星最上大氣層，受到日照後融化，於是甲烷便進入土星大氣層。同時，數據顯示，土星環所在截面內大氣層的其中一部分水、甲烷、氨、一氧化碳、二氧化碳和氮分子也來自土星的D環。
土星環物質成分 ?SCIENCE
在探測大氣層的同時，卡西尼號的INMS也對土星環的成分進行了測量。土星環的密度為1.6*10-16g/cm3，由甲烷、二氧化碳、一氧化碳/氮、水、氨和有機物組成。難以置信的是，土星環內竟含有有機物，且含量在眾物質中高居第一，為37%。有機物主要由碳水化合物組成，並且有少量的氧基和氮基，科學家預測可能有較重的芳香化合物出現（5%-10%）。其余的含量佔比大約為：甲烷16%，二氧化碳0.5%，一氧化碳/氫氣20%，水24%，氨2.4%。
在得到最終結果之前，科學家們預測，土星環內環中的物質會源源不斷掉入到土星最上層大氣層中，形成所謂的“土星環雨（ring rain）”。以前的預測結果大多傾向於掉入大氣層的物質為氫和氦的微小顆粒。
但最新的分析結果讓科學家們大吃一驚：土星環雨不僅含有氫和氦，還含有一氧化碳，甲烷，氮，少量未知有機物，以及重量級嘉賓：水冰和矽酸鹽顆粒。由於這些物質在土星環內部被快速噴射出來，落入土星，因此形成土星環雨奇觀。環繞著整個土星環區域內，大雨如注，每秒大約掉下9000千克物質。
此前，科學家的確沒有預料到土星環雨的物質如此多樣。這可能會改變我們對土星和其衛星形成與演化的理解。
水冰和矽酸鹽顆粒的分布 ?SCIENCE
水冰和矽酸鹽顆粒的分布如上圖所示，藍色代表水，橙色代表矽酸鹽。土星環D環內部的區域充斥著半徑為幾十納米的帶電顆粒，但在僅限的幾百公里狹小區域內，含有幾百納米的大顆粒，它們幾乎佔據了總體品質。
土星環雨的分布主要受土星磁場的影響。
由於存在土星磁場，使得土星南半球和北半球中緯度的顆粒分布顯示出明顯的不對稱性（上圖的綠色條帶部分），南半球的塵埃最大分布更加密集，範圍更加廣。繼而影響了土星雨的分布。同時，土星磁場強度和物質噴射速度互相抗衡，形成動態選擇的循環效應，這也使得土星環可以長久存在下去，不會因為噴射物質過多而消失。
卡西尼號最後的數據證實，雖然土星的磁赤道與自轉軸完美平行，但它實際上從土星本身的赤道向北偏移了約2808.5千米，這說明土星磁場南北方的不對稱性。這種不對稱性主要受土星內部淺層的影響。
土星磁場數據圖 ?SCIENCE
對磁場數據的分析顯示，磁場的形成除了與土星內部核心，土星深層的“發動機”活動有關以外，還可能與土星更深層的第二個未知“發動機”有關。並且第二個“發動機”效應區域在土星具有半導體性質的內部區域。（發動機效應指的是行星的旋轉對流運動形成磁場）。
同時，磁場數據還揭露出一個有趣的新現象，它來源於土星磁場和土星最上層大氣各風帶風速差異之間的互相影響，這種影響在土星的熱層之中產生漣漪狀的電流。
它的工作原理如下：土星上有各種風帶，赤道風帶移動速度最快，從赤道往南北方的風帶移動較慢。當一條條回路狀的土星磁力線並排時，磁力線一端在赤道風帶上，但另一端在其他的地方。赤道風由於風速較快，會猛拽在其周圍的帶電等離子體粒子，隨後粒子的移動會扭曲磁力線。
土星上的大風暴 ?NASA
這些電流強度大約是20個地球陸地發電站能產生電流強度的總和。由於強度過大，電流周圍的大氣層都被加熱了，這也許能解釋關於土星熱層的未解之謎——為何它的溫度比預期要更高。
科學家們曾預測，在土星最上層大氣與土星環最內環之間的赤道平面處，存在一個輻射帶。這次的數據證實了輻射帶的存在，並對其如何產生給出了一種解釋。
土星輻射帶 ?SCIENCE
那麽，土星輻射帶是如何形成的呢？
星系宇宙射線從四面八方而來撞向土星環或者土星大氣，產生大量中子，中子β衰變成為光子，這些光子最後組成了輻射帶。輻射帶最外側已經到特洛伊衛星的軌道，但由於土星環以及土星衛星的吸收作用被分割開來。並且由於土星環的干涉，土星光輻射帶的強度明顯弱於土星各層的強度。
輻射帶中的光子撞向土星大氣層或者土星環最內環的時候會耗盡能量，但是在輻射帶外圍的光子卻不必擔心這類碰撞。因此，外圍輻射帶密度更高。輻射帶中光子的能量很高，從25MeV到十億電子伏特。
將土星的輻射帶與其他行星輻射帶作比較，科學家可以更深入了解輻射帶如何形成，如何演化。宇航員在太空中經常受到輻射威脅，研究輻射帶對保證他們的安全非常重要。
巧合的是，土星的輻射帶與去年朱諾號發現的木星輻射帶類似，兩個行星都有相對奇怪，尺寸較小但是非常類似的輻射帶，雖然前者密度較低。
卡西尼號 ?NASA
雖然卡西尼號已經離開我們將近一年時間，但作為它最後的Grand Finale還遠未結束。可以預見的是，通過對數據的一系列分析和研究，將來還會有更多關於土星的新發現。
卡西尼號在13年的長途旅行後，帶給我們最後的一點數據也如此激動人心。
這正是其偉大所在。
參考文獻：
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6.https://www.space.com/42022-cassini-saturn-finale-ring-rain-surprises.html
作者：春收冬藏，審核：蛋蛋，更多精彩請關注微信公眾號【銀河旅遊局】，期待你的光臨~
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