观测土星方法及土星环现象说明

尽管土星有着庞大的身躯，但它和地球之间隔着如此遥远的距离，导致土星的视大小被大大减小了，即便土星运行到距离地球最近处，二者的间距都要超过10亿千米，因此土星的张角最大也只有18角秒，而此时土星环的张角接近43角秒。为了更好地辨别土星多变的样貌，强大的光学助力很有必要，这也为早期观测给土星蒙上的神秘色彩祛了魅。

那是1610年的夏天，土星第一次不再只以一颗明亮星球的普通形象出现在人类视野里。伽利略用他自制的天文望远镜进行天体研究时，惊讶地发现土星变成了3颗——土星两侧各有一个发光的附属物，因此他写道：“中间的星体看上去最大，另外两颗——一颗在东，一颗在西，二者的连线不与黄道方向重合——似乎紧靠着中间的那颗，就像两个一直分立两侧的仆人在侍奉年长的主星。”至于最后一句描述，伽利略后来认为是自己搞错了，因为他发现主星两侧较小的星体慢慢变弱，在1612年竟消失不见了。由于无法得知这一现象的真正原因，伽利略惊呼道：“土星吞掉了它的孩子。”他觉得自己是被某种幻象愚弄了，以至于后来停止了对这颗让人困惑不解的星球的研究。然而，他的竞争对手以及之后的仿效者都看到了呈三体状的土星，土星的样子依旧是个谜，尽管他们中的一些人已经观察到较为理想的土星样貌（尤其可以参考里乔利和厄斯塔什绘制的土星图）。

惠更斯是第一个在土星图上画出土星环的人（1656—1657）。

图上人名和时间翻译：伽利略，1610；申纳尔，1614；赫维留，1649；伽桑迪，1645；厄斯塔什·德·迪威尼，1647；里乔利，1650 早期观测到的土星样貌

直到1659年，土星谜团被惠更斯解开了；这位能干的天文学家从1656年就开始研究（使用的是他自制的一架口径为7米的天文望远镜）这颗奇异的星球。他后来写道：“它被一圈任何部分都不与土星相接触的薄环围绕，光环平面与黄道平面斜交。”可见，惠更斯准确意识到了土星面貌对之前一众观测者的困扰是由视角的不同造成的，根据上文介绍的土星基本要素可知，这一环状系统在不同的视角下会接连被观测到。

la Terre：地球； P le N.：北极； P le S.：南极 太阳、地球和土星的相对位置图示。土星在公转过程中到达二至点时，我们在倾斜的视角下分别看到了土星环的北面和南面；当土星到达二分点时，土星环所在平面穿过太阳，我们正好能看到土星环的截面。(www.xing528.com)

当地球经过土星环所在的平面时，我们看不到土星环，参见中间的土星图；左右两侧的图示是地球经过前后看到的土星样貌。

下方图示比任何冗长的文字叙述都能更好地解释土星上的季节以及与之对应的土星外貌在我们眼前的呈现情况；与遥远的土星相比，我们距离太阳如此近，所以我们观测土星的视角与土星接受太阳照射的角度几乎相同，因此当土星到达二至点时，朝向太阳的——也就等同于朝向地球——要么是土星的北半球以及土星环的北面，要么是土星的南半球以及土星环的南面。由于我们倾斜的视角，土星的环状结构呈椭圆形，其短轴稍微超过长轴。此外我们还注意到，只有沿着土星赤道平面看去，土星环的形状才为椭球形；当土星的极点向我们倾斜时，椭圆度明显减小，土星环也会看起来越来越圆。

随着土星越来越接近二分点，土星环平面露出的角度也越来越小；最后当土星到达二分点时，土星环所在平面穿过太阳和地球，此时的环状结构看上去只是个呈直线状的截面。由于这条直线非常纤细，便造成了土星环消失的表象（下文会详细讨论这一点），尤其是在观测工具还不够完善的情况下。我们由此可以想象伽利略当时的沮丧心情。他用自制的望远镜只能看到远景中土星两侧的光斑；我们已经知道所谓的光斑会逐渐变小直至无法被观测到，而伽利略观测土星正是在土星环在视野中越来越倾斜，最后只剩一个截面的时期。

正如前文所述，土星的这些不同外观周期性出现，这一周期也就是土星季节交替的周期。当土星运行到至点时，我们能看到土星星系最完整的样子，此处假设我们见到的是土星的北半球；经过至少7年之久，土星到达分点，此时我们只能看到土星环的截面，也可以说几乎看不到这个极薄的环状物。从该分点到我们能看到土星的南极又要等到7年以后，接着土星到达下一个分点，土星环又会从我们的视野中消失，中间的时间间隔同样是7年多。总之，每隔14.5年，土星环就会消失一次，在这十几年间，要么是土星星系的北面，要么是它的南面朝向我们视线方向的倾斜度最大，在这两个至点位置之间，我们会看到土星与土星环作为一个整体逐渐经过所有对应不同能见范围——土星投射在土星环上的阴影以及土星环投射在土星上的阴影的大小和方向不断改变——的视角。通过望远镜观测到的这些有趣的土星外貌，向我们展示了一个土星年内主导土星表面的不同环境，这些环境也为这颗星球的上空带来了天象奇观，我们将在下文尽可能确切地概述这些不同的天象。

在此之前，我们必须了解土星以及土星外围的环状物的物理特性。