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在我們太陽系的八大行星中,最「拉風」的行星,可能要數土星了,因為它有一個巨大的行星環。自從伽利略在1610年用望遠鏡發現土星環以來,它就一直讓無數人著迷,它的光環賦予它一種神秘的威嚴,也不愧於它被冠以泰坦之王的名字。
一般來說,行星環是圍繞行星旋轉的物質構成的環狀帶,是因質量巨大的行星的引力而形成。而土星的行星環則幾乎完全由冰塊組成,其寬度達到數千英裡。除了土星外,太陽系中的擁有行星環的行星還有木星、天王星和海王星。在2015年,天文學家還發現了420光年外的一顆叫做J1407b的行星,它擁有30多個行星環,這些光環的直徑達1.2億公裡,是土星環的200多倍。
無垠的太空總會讓人產生無限的想像,有人會問,如果地球也有一個行星環,我們的世界會是什麼樣子?最近,一位叫做羅恩·米勒(Ron Miller)的科幻插圖畫家創造了一組非凡的圖像,圖像告訴人們如果地球擁有與土星比例相同的行星環,我們的天空會是什麼樣子。
同時,也有天文學家對假想中的地球光環做出解釋。天文學家認為,如果地球有行星環,那麼這個環的外觀會因緯度而變化,世界各地的人們看到的景象是不一樣的。其中在赤道附近的人們,會從內緣看到光環,所以它看起來就像一條從地平線上筆直升起的細線。
相比之下,在北極圈附近,這個環可能看起來像地平線上的一個隆起。對於在赤道和極地之間的緯度地區的人們來說,這些光環看起來就像一個巨大的拱門,從天空的一端穿過另一端。這些閃閃發光的光環既不會升起也不會落下,而且會永遠出現在天空中完全相同的地方。這些宇宙地標無論白天黑夜都能看見。
然而,地球如果多了一個行星環,並非改變天空景觀那麼簡單,它還會對地球產生很多方面的影響。
明亮的巖石圈
如果地球有行星環,它註定是一個與土星環不一樣的環,最關鍵的一點是,它不會有冰。因為地球與太陽的距離,比土星近太多了,因此來自太陽的輻射會將行星環上的任何冰都升華掉。因此,地球如果有環,它的主要成分必須是巖石。
儘管如此,即使地球的光環是由巖石構成的,這也不意味著它們看起來是黑暗的。月球巖石大部分是灰色的,它反射太陽光的效率只有12%,但在我們看來,滿月還是非常明亮的,這是因為月球離地球的距離足夠近。
地球的光環會有多亮呢?來自紐約哥倫比亞大學的天體生物學主任卡萊布·沙爾夫(Caleb Scharf)稱:「這個假想的光環,每平方米大約有1300瓦的陽光反射到地球大氣層的頂部。」如果光環的反射效率有10%,那麼它每平方米反射的光與130瓦的燈泡發出的光差不多。
行星環離地球有多遠,會干擾飛機嗎?
根據大學大氣研究公司的數據,這些光環所能達到的絕對距離是位於被稱為熱層的大氣層之上的某個地方,其高度可達1000公裡。而一般的民航客機的飛行高度只有11公裡左右,因此我們絲毫不用擔心飛機會撞到這個環。但行星環內邊緣的物質可能會頻繁墜入地球大氣層,像隕石一樣燃燒起來。
行星環的外邊緣會向太空延伸多遠?任何在地球一定距離內運行的物體,都會因地球引力而破裂,也就是洛希極限。一旦破碎,這些破碎的物體就會加入巖石環。例如,任何與地球月球大小的物體,如果落在距地球表面11850公裡以內的地方,就會地球的引力撕碎,最終形成一個圍繞地球的環。總而言之,這個行星環的外邊緣不會超出月球的軌道。
形成行星環的必要條件
地球是否有一個或多個光環,取決於地球是否也擁有「牧羊人衛星」,即清除光環之間的間隙並幫助將粒子限制在環內的小衛星,就像牧羊犬防止綿羊誤入歧途一樣。土星環擁有許多牧羊人衛星,比如「普羅米修斯」。地球環中的牧羊人衛星可能像圍繞著光環邊緣旋轉的閃亮的珍珠。
沙爾夫說,如果地球繼續擁有像現在這樣大的月球,它不太可能有持久的光環。因為月球施加在地球上引起潮汐的引力可能會破壞行星環,導致它們分崩離析。
落下的陰影
根據一天中的時間、季節和觀測者所在的緯度,地球的影子可能會落在光環上。沙夫說,地球的影子在它的光環上看起來是橢圓形的,並且隨著時間的推移而移動。在春分期間,太陽和光環在同一平面上。在這個時候,在地球的中緯度地區,行星的陰影會最大程度地延伸到光環上,使光環的大部分區域陷入黑暗。
同樣,光環本身也會在地球上投下陰影。而在赤道地區,這個行星環會遮擋大部分的太陽光,在半個地球上投下一個巨大的陰影。在北半球的夏季和南半球的冬季,光環會在南半球投下陰影,反之亦然。這可能意味著兩個半球的冬天可能比現在的更冷更嚴酷。然而,同時,行星環可能會增加地球接收到的光總量,「因此氣候影響很難精確定位。
圍繞行星環創造的神話故事
作為天空中永不改變位置的天象,如果地球真的有一個巨大的光環,它幾乎肯定在神話中扮演著關鍵的角色。在溫帶地區,人們可能會認為,環的外觀像一個拱門,象徵著天地之間的橋梁。(牛郎和織女也許不用麻煩小鳥幫他們搭橋了。)
由於光環的外觀隨著緯度的變化而變化,人們對它們的解釋也會隨之改變。鑑於地球上的戰爭是如何起源於對宗教教義的對立觀點,人們可能會想知道,當古人開始漫遊地球,看到光環在外觀上發生變化時,會發生什麼。
這個光環很可能會吸引人們去世界各地遊蕩。考慮到這些光環是如何與巨大的拱門相似,探險家們可能會想看看拱門落在哪裡,就像人們渴望看到彩虹盡頭的東西一樣。
此外,沙爾夫指出,在環上地球陰影的邊緣,人們可以看到透過地球大氣層過濾的光線。他說:「你可能會在陰影的邊緣得到一些奇怪的顏色,也許是血紅色的邊緣。人們可能會圍繞這一點建立起各種各樣的神話。」
航海指南
這些環可能會成為非凡的航海設備。人們可能會想知道他們如何支持旅行、探險、貿易、移民和入侵。例如,幾個世紀以來,水手們在海上和看不見陸地時,很難精確地確定他們在地球上的經緯度位置。長期以來,航海家們一直有利用天文學來尋找緯度的方法——白天觀察太陽的高度,晚上觀察北極星或南十字星的高度。
天空中的光環可能有助於航海家們通過多種方式估計經度。牧羊人衛星可以沿著可預測的軌道繞地球運行,就像在時鐘上移動指針一樣。土星光環擁有神秘的輻條,很可能與土星磁場有關,而地球光環上的任何輻條都可以像時鐘表面的時間標記一樣起作用。地球的影子在光環上移動的方式也可以作為一個巨大的宇宙計時器。
對太空探索的影響
根據環的位置,原則上衛星和太空飛行器可以在其下方軌道運行。例如,國際空間站在地球表面上方約400公裡的軌道上運行,可能在「環」之下;而地球靜止衛星軌道距離地球表面約35786公裡,很可能遠高於「環」。然而,這些光環可能會散射赤道軌道上衛星和太空飛行器發出的任何無線電信號,從而限制了它們的用途。
這些光環很可能還會干擾天文學,妨礙人們俯瞰夜空。這反過來可能會限制環行星上的科學家對宇宙關鍵細節的了解。
有科學家指出,地球的行星環並非完全是想像力的產物,地球可能曾經有過一個行星環。我們的星球誕生於45億年前,之前的研究表明,月球的年齡相對較短。有天文學家對月球起源的解釋是,它是由兩個原行星的碰撞造成的。其中一個是地球的原型,另一個是火星大小的行星,叫做Theia。它們的撞擊最終形成了現在的地球和地球周圍的一圈巖石碎片,這些碎片最終合併成為了現在的月球。