本文參加百家號科學#了不起的天文航天#系列徵文
作者：石蘭（抄襲必究）
當我們抬頭望向遠處的星空，土星就是那顆肉眼可見、且與地球距離最遙遠的行星。我們只需要等待時間的推進、並觀察這個世界的變化，便能清晰地知道地球的自轉和公轉時間，並將其運用於我們日常的工作和生活當中。但對於許多其他星球的旋轉周期而言，迄今為止都還是有一個存有爭議的複雜問題。比如，像土星這種類型的行星，由於沒有可跟蹤的表面特徵，無法實現通過雲層觀察到氣體巨行星上的穩定地標，因而讓測量難度提升，科學家們更為此而花費了數十年的時間。旋轉周期不僅可以描述行星的基本屬性、解釋某些行為，還能提供許多關於其形成的重要線索，那麼，為何測量它的旋轉周期會如此困難，土星上的一天到底有多長時間？
為何難以對土星的旋轉周期進行測量
對於不同類型的星球而言，測量其旋轉周期的難易程度完全不同，比如，當我們要對巖石行星進行一天的時間長度測量時，只需要確定一個作為參考的點，然後觀察其旋轉出視圖所花費的時間，以及再次返回視圖即可；又或者，我們可以通過該行星磁場的傾斜，來測量其一天的時間長度。由於土星的旋轉軸幾乎和自己的磁場完全對齊，因此，這兩種方式都不適用於土星旋轉周期的測量。
我們很清楚應該如何測量像地球這樣的行星的旋轉周期，但土星是一顆具有多層次、甚至可能擁有巖石核心的巨型氣體星球。核心的周圍被冰、金屬氫，以及氦環繞，液態氫氣所在的區域又包圍著「氦雨」，而科學家們正在測量的土星旋轉周期，其測量的目標對象實際上是高層大氣。或許你有所不知，土星的高層大氣由三部分構成，它們分別是最下方的水蒸氣雲、中間位置的硫氫化銨，以及最頂部的氨氣雲，並且，它也是這個星球上唯一能夠進行實際測量的部分。
土星的旋轉周期值為何會發生變化
當旅行者對土星的無線電波和磁場的變化規律進行測量時，其周期被認定為10小時40分鐘；而當卡西尼號對土星進行相關觀測後，所得出的旋轉周期被延長了10分鐘，並在之後的13年時間中發生了一些細微的變化；而一些其他數據則顯示了，土星的南半球和北半球緩慢的變化周期其實並不同步。科學家們將土星擁有的多個可變周期性質稱為：熱空氣-電離層-磁層耦合的雙飛輪模型（Jovian飛輪模型）。雖然，我們很難從地球上測量出土星旋轉一次所需要耗費的時間長度，但在那些現存的諸多問題之中，固定於行星核心的磁場的旋轉周期是關鍵。Jovian模型的開發，實際上就是為了解釋在木星磁層中所觀察到的旋轉滯後現象、為什麼會呈現出如此明顯的穩定性。
通過該研究，科學家們得出了一個關鍵結論：滯後的發生是因為在中性大氣層內存在滑動現象，而其中的一部分則是由於磁層和熱層之間的滑動所導致。與此同時，存在於大氣中的「中性風廓線」響應速度比較緩慢，因而在這些變化中扮演著「機械飛輪」般的作用，可以通過數月的時間就抑制住這些變化。為了讓實驗更加嚴謹，科學家們便利用了北半球和南半球的不同，以充分適應土星的該模型。當這樣的狀態比較穩定的時候，兩個中性熱氣球表現出了不一樣的旋轉速率，並隨著太陽照射的極點而發生季節的緩慢變化。
土星的季節變化和旋轉周期的確定
為何土星的旋轉周期可以在如此短的時間內，就出現了往往需要數億年才會發生的改變？眾所周知，土星具有27度左右的軸向傾斜度，這與我們地球的傾斜度23度比較接近，也就是說，當土星的南半球和北半球圍繞太陽進行公轉運動的時候，它們所獲取到的能量會存在較大差異。而土星大氣層的外緣，剛好就是一個等離子區域，當紫外線能量處於變化的狀態，那麼也會對與之發生相互作用的等離子帶來影響，並在外層大氣和等離子體的交叉位置產生大小不等的阻力。
對於大氣旋轉而言，阻力是其中很大的一個決定性因素，所以我們收集到的無線電波發射，呈現出了隨著觀察季節的不同而有所變化的情況。科學家們認為，當帶電粒子在土星的磁層穿過時，它的旋轉速度被改變，因而導致了大氣層中電磁應力的產生，以至於那些海拔較高的地區，出現了更加緩慢的旋轉速度。而夏季的半球則能更好的導電，因為有更多的紫外線會在此聚集。
隨著季節的變化，旋轉周期也在南北半球之間交換，就像我們目前所觀察到的這樣。簡而言之，土星的旋轉速度，因為受 到等離子體的阻力而減緩，於是我們觀察到了無線電發出的旋轉周期信號。但隨著土星的季節發生變化，這些等離子體產生的阻力發生變化，並導致了無線電發射與之前不同。由於土星沒有固定的表面特徵，科學家們需要通過無線電發射來測量土星的旋轉周期，因此才會出現數據不一致的情況，當然，這樣的測量方式僅適用於土星的表層。