土星とは｜太陽系第6惑星の特徴・内部構造・リングと82個の衛星

土星は楕円形の球体で、極域では平らになり、赤道付近では膨らんでいる。赤道の直径は120,536km、極の直径（北極から南極までの距離）は108,728kmで、その差は9%です。土星の自転は10.8時間に1回と非常に速いため、土星の形は平らになっています。

土星は太陽系の中で唯一、水よりも密度が低い惑星です。惑星のコアが非常に高密度であるにもかかわらず、ガス状の大気を持っているため、惑星の平均比密度は0.69g/cm³となっています。つまり、土星を大きな水の溜まり場に置くことができれば、土星は浮いてしまうということです。

雰囲気

土星の大気の外側は、約96％の水素、3％のヘリウム、0.4％のメタン、0.01％のアンモニアで構成されています。また、アセチレン、エタン、ホスフィンもごく少量含まれています。

土星の雲は、木星で見られる雲の帯のような帯状のパターンを示しています。土星の雲はより薄く、赤道付近では雲の帯が広くなっています。土星の最下層の雲は水の氷でできており、厚さは約10km（6 mi）です。ここの温度は250K（-10°F、-23°C）と非常に低い。しかし、これについては科学者の間では見解が一致していません。上の層は、厚さ約77kmのハイドロスルフィドアンモニウム氷でできており、その上には厚さ80kmのアンモニア氷雲があります。最も高い層は水素とヘリウムガスで構成されており、水雲の頂上から200km (124 mi) から270km (168 mi) の間に広がっています。土星では中間圏にオーロラが形成されることも知られている。土星の雲頂の温度は98K(-283°F, -175°C)と非常に低い。内層の温度は、土星の内部で発生する熱のために、外層よりもはるかに高くなっています。土星の風は太陽系の中でも最も速く、時速1,800km/h（時速1,118マイル）に達し、地球の風の10倍の速さである。

嵐とスポット

土星の大気は、木星で見られるはっきりとした斑点に似た楕円形の雲を形成することでも知られています。これらの楕円形の斑点は、地球で見られるサイクロンと同じようなサイクロン性の嵐である。1990年、ハッブル宇宙望遠鏡は、土星の赤道付近に非常に大きな白い雲を発見しました。1990年に発見されたような嵐は、グレート・ホワイト・スポットとして知られていました。これらのユニークな嵐は、短時間しか存在せず、地球の約30年に一度、北半球の夏至の時期にしか起こりません。グレート・ホワイト・スポットは、1876年、1903年、1933年、1960年にも発見されています。このサイクルが続けば、2020年頃には別の嵐が形成されることになる。

ボイジャー1号探査機は、北緯78度付近で土星の北極付近に六角形の雲のパターンを発見しました。その後、2006年にカッシーニ・ホイヘンス探査機がそれを確認しました。北極とは異なり、南極には六角形の雲の特徴は見られない。探査機はまた、南極にロックされたハリケーンのような嵐を発見し、それはアイウォールをはっきりと示していた。この発見まで、アイウォールは地球上でしか見られなかった。

内装

土星の内部は木星の内部に似ている。土星の中心には、地球と同じくらいの大きさの小さな岩石のコアがあります。それは非常に熱く、その温度は15,000 K (26,540 °F (14,727 °C))に達する。土星は非常に熱く、太陽から受け取るよりも多くの熱エネルギーを宇宙に放出しています。その上には、金属水素の厚い層があり、約30,000km (18,641 mi) の深さがあります。その層の上には、液体の水素とヘリウムの領域があります。コアは重く、地球のコアの約9倍から22倍の質量を持つ。

磁場

土星は木星よりも弱い自然磁場を持っています。地球と同様に、土星の磁場は磁気双極子です。土星の磁場は、他の知られている惑星とは異なり、完全に対称的であるという点でユニークです。これは、フィールドが惑星の軸と正確に一致していることを意味します。土星は電波を発生させますが、地球から検出するにはあまりにも微弱です。土星の磁場の外側を周回する月タイタンは、タイタンの大気中の電離粒子から磁場にプラズマを放出しています。

土星の太陽からの平均距離は140万km以上で、地球から太陽までの距離の約9倍です。土星が太陽の周りを公転するのに10,759日、約29.8年かかります。これは土星の公転周期として知られている。

ボイジャー1号は、土星の自転を赤道で10時間14分、極に近いところで10時間40分、惑星内部で10時間39分24秒と計測しました。これを回転周期といいます。

カッシーニは土星の自転を10時間45分45秒±36秒と計測した。これは、1980年と1981年に土星を通過したボイジャー1号とボイジャー2号が測定した電波回転周期よりも約6分、1パーセント長い。

土星の自転周期は、惑星から放出される電波の自転速度で計算される。カッシーニ・ホイヘンス探査機は、電波の速度が遅くなっていることを発見し、回転周期が増加していることを示唆している。科学者たちは、土星の自転が実際に遅くなっているとは考えていないので、説明は電波を発生させる磁場にあるのかもしれません。

土星は、望遠鏡で簡単に見ることができる惑星の環で最もよく知られています。A環、B環、C環、D環、E環、F環、G環の7つの環があります。これらは発見された順に名前が付けられており、惑星からの順番とは異なります。惑星から見たリングは次の通りです。D、C、B、A、F、G、Eです。

科学者たちは、リングは月が分裂した後に残された物質であると考えています。新しい考えによると、それは非常に大きな月で、そのほとんどが惑星に墜落したものだという。これにより、リングを形成するための大量の氷が残されただけでなく、エンケラドゥスのように氷でできていると考えられている月もあるという。

歴史

リングは、1610年にガリレオ・ガリレイが望遠鏡を使って初めて発見しました。ガリレオにはリングのように見えなかったので、彼はそれを「ハンドル」と呼んだ。ガリレオは、土星は3つの別々の惑星で、ほとんど互いに触れ合っていると考えていました。1612年、リングが地球と端を向いていたとき、リングは消え、1613年に再び現れ、ガリレオをさらに混乱させた。1655年、クリスティアン・ホイヘンスは、土星がリングに囲まれていることを最初に認識した人でした。ガリレイよりもはるかに強力な望遠鏡を使って、彼は土星が「薄くて平らなリングに囲まれていて、どこにも触れていない」と指摘しました。1675年、ジョバンニ・ドメニコ・カッシーニは、土星のリングが実際には小さなリング状の隙間からできていることを発見しました。最大のリングギャップは、後にカッシーニ部と名付けられた。1859年、ジェームズ・クラーク・マクスウェルは、リングは固体ではなく、小さな粒子でできていて、それぞれが土星の周りを回っていて、そうでなければ不安定になったり、バラバラになったりすることを示した。1895年には、ジェームズ・キーラーが分光器を使ってリングを研究し、マクスウェルの理論を証明しました。

物理的特徴

環は、惑星の赤道上の6,630 km (4,120 mi) から 120,700 km (75,000 mi) の範囲にあります。マクスウェルによって証明されたように、環は上から見たときには固くて壊れていないように見えますが、環は小さな岩石と氷の粒子でできています。シリカ岩、酸化鉄、氷の粒子でできていて、厚さはわずか10mほどしかありません。小さな粒子はほこりのかけらに過ぎませんが、最大の粒子は家の大きさです。CとDのリングはまた、水の中の波のように、それらの中に「波」を持っているように見えます。これらの大きな波は、高さ500m（1,640フィート）もありますが、毎日約250m（820フィート）の速度でゆっくりと動いているだけです。科学者の中には、この波は土星の月によって引き起こされたものだと考える人もいます。また、1983年か1984年に土星に衝突した彗星が波を作ったという説もあります。

輪の中で最も大きな隙間があるのは、地球から見えるカッシーニ分団とエンケ分団です。カッシーニ部が最も大きく、幅4,800km（2,983 mi）にもなります。しかし、1980年にボイジャー探査機が土星を訪れた際に、リングが何千もの薄い隙間やリングレットからなる複雑な構造であることを発見しました。科学者たちは、これは土星のいくつかの月の引力によるものだと考えています。小さな月パンは土星の輪の内側を公転しており、輪の中に隙間を作っています。他のリングレットは、プロメテウスやパンドラのような羊飼い衛星の引力によってその構造を維持している。その他の隙間は、より遠くにある大きな月の引力によって形成される。カッシーニの隙間を一掃する役割を担っているのがミマスという月である。

最近の探査機カッシーニのデータによると、環には惑星の大気とは無縁の独自の大気が存在していることが明らかになった。環の大気は酸素ガスでできており、太陽の紫外線が環の中の水の氷を分解することで生成されます。また、紫外線と水分子の間で化学反応が起こり、水素ガスが生成されます。環の周りには、酸素と水素の大気が非常に広い間隔で存在しています。酸素や水素ガスと同様に、環には水酸化物でできた薄い大気があります。このアニオンはハッブル宇宙望遠鏡によって発見されました。

スポークス

宇宙探査機ボイジャーは、スポークと呼ばれる光線のような形をした特徴を発見しました。これは後にハッブル望遠鏡でも確認されました。2005年には、カッシーニ探査機がこのスポークを撮影しました。太陽光の下では暗く見え、光の当たらない側を逆にすると明るく見えます。当初、このスポークは微小な塵の粒子でできていると思われていましたが、氷でできていることが新たな証拠として明らかになりました。スポークは惑星の磁気圏と同時に回転していることから、電磁気学と関係があると考えられています。しかし、スポークが形成される原因はまだ分かっていません。スポークは季節的なもののようで、夏至の時期に消え、赤道儀の時期に再び現れる。

2004年12月から2005年1月にかけて、カッシーニ・ホイヘンス探査機と呼ばれる人工衛星がタイタンの近くでたくさんの写真を撮影しました。その後、ホイヘンス探査機と呼ばれるこの衛星の一部がタイタンに着陸しました。オランダの天文学者クリスティアン・ホイヘンスにちなんで命名されたホイヘンスは、太陽系外惑星に着陸した最初の探査機でした。探査機は、液体の中に着陸した場合に備えて浮くように設計されていました。6番目に大きな月であるエンケラドゥスは、直径約500km（311 mi）。火山活動を示す数少ない太陽系外惑星の一つである。2011年、科学者たちは、土星とエンケラドゥスの間に電気的なつながりがあることを発見した。これは、小さな月の火山からのイオン化された粒子が土星の磁場と相互作用することによって引き起こされます。同様の相互作用が地球上のオーロラを引き起こす。

1980年11月、ボイジャー1号は土星を訪れ、惑星、環、月の高解像度写真を撮影しました。これらの写真からは、月の表面の特徴を見ることができました。ボイジャー1号はタイタンにも接近し、タイタンの大気について多くの情報を得ました。1981年8月、ボイジャー2号は惑星の調査を続けました。探査機が撮影した写真から、環や大気に変化が起きていることがわかりました。ボイジャー2号は、土星の環の近くを周回している多数の月を発見したほか、新たな環の隙間を発見しました。

2004年7月1日、カッシーニ・ホイヘンス探査機は土星を周回する軌道に入った。それまでにフェニブに接近して表面の高解像度写真を撮影し、データを収集していました。2004年12月25日、ホイヘンス探査機はカッシーニ探査機から分離し、タイタンの地表に向かって降下し、2005年1月14日にタイタンに着陸しました。着陸したのは乾燥した表面でしたが、月には大きな液体の塊が存在していることがわかりました。その後もカッシーニ探査機は、タイタンと氷の月の多くのデータを収集し続けました。また、エンケラドゥス月には間欠泉から水が噴出しているという証拠を発見しました。また、2006年7月には、タイタンの北極付近に炭化水素の湖があることを証明しました。2007年3月には、タイタンの北極付近にカスピ海ほどの大きさの炭化水素湖を発見しました。

カッシーニは2005年初頭から土星で発生している雷を観測しています。その雷の威力は、地球の雷の1,000倍と計測されました。天文学者は、土星で観測された雷は、これまでに観測された雷の中で最も強力なものであると考えています。

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