旅行者号飞船对这颗以罗马神话中的农神命名的行星拜访收获甚丰，取得了对其金色的球体、众多的卫星和独特的冰环的大量数据。

1980年，美国国家宇航局的旅行者1号飞船飞临土星，这是此次宏伟的星际飞行的最新一站，它在1977年9月5日飞离地球已有三年多了，离1979年飞过木星也有一年半了。远在8月22日，当飞船还离土星1亿零900万公里时，对土星的各种观察活动就已经开始进行了，到了11月120，旅行者号飞至离土星12万6千公里半径以内时，这些观察活动大大加强并又持续了一个月。

作为旅行者1号设计组的一名成员，我有幸成为首批观察土星的一员。我们第一次看到了金色的土星，它的15颗卫星的大部分和七个奇异的光环的近景照片，它们是如此清晰，真是令人振奋。

旅行者1号上的仪器新发现了三颗土星卫星，第一次对土星的主要卫星——泰坦的大气作了精确的分析，提供了有关土星光环颗粒性质的新的资料，还第一次仔细测定了土星大气内的风速。

土星与地球之间的距离差不多是太阳与地球的十倍，它与我们这个外表覆盖着水，仅有一颗卫星——月球的行星大不相同。并且，土星也不同于水星、金星、火星和其他内太阳系的行星，它们都最靠近太阳。外太阳系的行星包括木星、天王星、海王星以及很少为人所知的冥王星。与这些行星相比，土星的体积第二大，形状也最像木星。由于土星与水星、金星、火星和木星这些行星有一个共同之处：它们比较亮，不用望远镜，光凭肉眼就能看到，所以早在古代，星相家们就知道土星了。不过在十七世纪天文望远镜未发明之前，土星还仅仅是颗光点。意大利天文学家伽利略1610年在意大利东北部帕度阿的屋顶上观察土星时，第一次观察到土星的光环。之后、在十七世纪，荷兰天文学家克里斯琴 · 休琴斯、法国天文学家让 · 漠尼克 · 卡西尼；在十八世纪，英国天文学家威廉 · 赫切尔爵士以及后来其他天文学家都对土星做过观察研究，都有新的发现。本世纪六十年代，宇宙飞船航行成为可能，科学家们对早为古代星相家所知的全部五颗行星发射了无人探测器。1979年9月1日，先驱者十一号首次飞临土星，为旅行者号的使命作了准备。

早在旅行者号飞船飞往土星之前，科学家对土星的构造已经相当了解了，他们已经知道一块体积与土星同样大小的岩石的重量几乎比地球上测知的土星重十倍，就连同样体积的水也是土星物质大约二倍的重量。从这些比较就可看出土星是由比较轻的材料构成的。由于土星大气中氢分子（两个氢原子的结合）最为丰富，科学家们便设想土星基本上是各种气体构成的，其元素成分与太阳相同。就是说，土星的百分之九十几乎是氢分子，百分之十是氦原子（仅一个氦原子），其他各种如氮、碳、氧以及微量元素全部加起来也不到百分之一。但是，土星果真仅仅是各种气体构成的话，那么它的质量应该比我们多年来观察研究所知道的要小一些。

这些事实和对土星的质量和体积进行的细致的数学运算使大多数科学家深信，土星主要是两部分构成的：一部分是流动的覆盖物，其化学成分与太阳大致相同，它们在近土星表面如同气体般也如同比较浓厚的流体般流动；另一部分是比较紧密的岩石构成的中心，可能有液态水、甲烷和氨。中心部分的体积约为地球的二十倍，半径约为1万2千公里。覆盖物是地球的七十五倍，从土星中心到覆盖物的外圈是12，000 ~ 60，000公里。

先驱者11号和旅行者2号在对土星流体状覆盖物即可观察得到的土星大气的那部分百分之一最外层中的温度和气压进行了测定后，发现土星最低温度约为-188℃（－306°F），这是在压力仅为地球表面气压的十分之一的情况下出现的。在高度稍低的上对流层，即在土星次高大气层中，温度也是这么低，以至有些气体凝冻起来了，形成一层层云状物。但在更高的同温层高度，即在土星最高大气层里，可凝冻的气体还不多，不足以形成云层。据信，土星同温层里主要有两种云：一种是水积云，它是在气温摄氏二十七度、气压是地球表面气压二十倍的区域形成的；另一种是氨冰云，它是在－123°C、地球表面气压的一点二倍的情况下形成的。在水积云与氨冰云之间还可能有氢硫化合云。

土星的外貌是由同温层的雾状小物体、氨云以及在氨云内外起着作色作用的化合物决定的。土星最显著的特征就是它一系列不断变化的明亮的白色区域和与土星赤道平行的环绕土星的深色环带。从地面上的照片来看，土星的区域和环带之间反差并不明显。旅行者号飞船的照片也支持了这样一种理论，即厚厚的雾状小物体在某程度上掩盖了它下面的特征。

太阳光中的紫外线使某些气体分子发生分裂，然后，这些分子碎片再经过复杂的化学反应过程，雾状小物体，可能也是着色因子，就在这个过程中在同温层中形成了。有些科学家认为这些小物体主要来自甲烷，因为旅行者号在土星大气中测到了乙烯、乙炔，还可能有丙烷，这些气体均可为甲烷化学转化过程中的中间产物。旅行者号还在土星上发现了发光气体（磷光气体），一种磷与氢原子的化合物。太阳光对磷光气体发生作用后可生成红磷。红磷可能跟土星上桔红色斑有关，这种红斑比木星上的大红斑要小。

我们通过跟踪旅行者号照片上移云极细微的动态特征，测定了近氨云外层的风速。在近土星赤道处，风向大致上是由西向东，风速是每小时1770公里这样惊人的高速。这股“喷气机般的气流”宽度约在土星赤道以南四十度和以北四十度这个范围内。纬度再高一些，风速就大大放慢，并且出现时而向南吹时而向北吹的迹象。我们希望对旅行者号数据的进一步研究可以弄清到底是什么力量在形成如此狂风。

到1900年为止，人们已经知道了土星的九颗最大的卫星，并对它们分别命了名。按最大到最小的次序，它们是：泰坦、雷亚、伊甫特斯、戴恩、特瑟、恩瑟拉德斯、米玛斯、希普里翁和菲比。1966年和1980年天文学家从地球上观察土星偏圆盘形光环时，又发现了靠近土星处有三颗较小的卫星，它们是1980S1、1980S3和1980S6。当时光环比往常暗淡得多，所以才看到了这三颗卫星。从旅行者号的照片上又发现了1980S26、1980S27和1980S28这三颗卫星，它们的体积也非常小，比前面三颗卫星更靠近土星。

泰坦的直径是5140公里，体积稍大于水星，略于火星。其他几颗卫星的直径从1530公里的雷亚的至1980S28的30公里不等。这些卫星离土星远近也不同，1980S28相距土星中心137，300公里、而菲比则为10，583，200公里。

科学家从这些卫星的“平均密度”推算出它们的构造。所谓“平均密度”是一种已知物质的体积与同等体积的水之间的比例。旅行者号的照片提供了有关体积的资料，这样，也就几乎提供了土星所有卫星的体积的资料，我们根据先驱者号和旅行者号飞船飞经这些卫星时所受到的对其轨道尽管微弱但仍可测知的引力作用，估算了几颗较大的卫星的物质。我们的测定表明，土星所有的卫星均由岩石和冰构成，外圈几颗卫星除可能有水成冰外，还可能有氨冰和氮冰。

土星的卫星几乎同所有其它星球的卫星包括地球的月球一样，其表面布满了被脱离轨道的彗星核或小行星撞击而产生的陨石坑。旅行者号的照片发回了土星系陨石坑分布密度的第一批数据，即每个表面单位的陨石坑分布数量。科学家就运用这些数据来估算一颗卫星表层的年代。—般来讲，表层年代愈久，陨石坑分布密度愈高。并且，因为小的卫星内部活动少，所以，卫星体积愈小就愈有可能保持表层高密度的陨石坑分布状态。以体积较小的米玛斯卫星为例，它的直径是390公里，我们发现它的陨石坑分布密度相当高，据此估计它的表层年代很可能追溯至几乎是66亿年前的土星系形成年代。但是恩瑟拉德斯却使我们迷惑不解，它与米玛斯的形成年代差不多，直径略大于米玛斯（约500公里），可是它的陨石坑分布密度却相对要低。我认为这颗卫星的某种内部（地质）活动可能时而改变着它的外貌。

旅行者号飞船另外一些照片清晰地证明了土星几颗较大的卫星的表面已经被“弄平了”，比如像直径1530公里的雷亚和直径1120公里的戴恩这两颗卫星的表面，某些区域陨石坑分布密度要大大低于其他几颗星。这两颗卫星表面明亮模糊的斑块与较暗区域交织成的复杂网络提供了一些线索，从中可推测出过去发生的一些事情。这些网络表明，卫星内部的冰和岩石因为受铀和其他放射性元素的作用，温度升得很高，在压力下从卫星外壳一些大的裂缝喷涌而出。这种熔融的物质流经卫星表面时填平了陨石坑。由放射桂元素衰变而引起的加热过程很可能产生卫星最初10亿年间绝大部分的表层再造物质，因为在那个时期，放射性元素最为丰富。后来，随着这些元素的继续衰变，发出的热能越来越少，卫星表层越积越厚，再也没有何种物质能够喷出卫星外壳了。较大卫星初期的生热过程也许使某些构成星体的较重的石块沉向星体中心，把水推向星体表面，于是今天这些卫星有了深浅不一的构造，有的因为在近表层处有较多的水以及其他“冰状”成分。较小的卫星则不大可能经历这番动荡的最初时期，这是因为它的放射性物质含量较少，产生不了那么大的热能。

泰坦是土星最大的一颗卫星。因而，它对于我们来说具有特殊的兴趣。我们希望旅行者号能够飞得离它很近，足以探出它的一些奥秘。例如，我们从地面观测中得知泰坦是行星中唯一的一颗有着厚实大气层的卫星。我们还知道它的大气中有一部分是甲烷，但是，至于泰坦的大气中还可能有什么别的气体我们则一无所知。所以，过去对泰坦大气压力的估算是从地球大气压力的0.02 ~ 20倍不等。加利福尼亚州斯坦福大学V. 埃什尔曼和G. L. 泰勒领导的旅行者号飞船无线电小组在飞船飞入离泰坦外壳5，000公里的半径之内时，发射无线电波穿过泰坦的大气层。电波受大气层的作用后略微有些偏斜。他们还通过其他一些测定，回答了几个根本性的问题。他们知道了泰坦是太阳系中除地球外唯一的一颗大气中氮气最丰富的星体，其大气中还含有百分之几的甲烷，千分之几的氢分子、微量的乙烷、乙炔和氰化氢，它的大气压力是地球的1.6倍。

马里兰州格林贝尔德的戈达德空间飞行中心R. 哈奈尔领导的旅行者号飞船红外线光谱小组有一项极为有趣的发现。他们在泰坦上发现了氰化氢，这是一种由氢、碳和氮单原子构成的分子。在太阳系里，除了在地球的大气中，其他的星体上从未发现过有氰化氢气体。氰化氢是可能导致地球上出现生命的化学过程中的一种关键的中间物质。对泰坦大气中复杂的化学反应过程进一步的研究可能会给探求地球大气中最初发生过的类似化学过程提供有价值的线索。科幻小说的作家已经推测过泰坦上有可能存在生命，但那里还缺少形成生命必不可少的一个条件——泰坦太冷了，无论是以大气中的气化形态还是以其表面的流体形态，任何有意义的水都无法存在。

我们试图观察泰坦的外貌，但遭到挫折，因为碳、氮氢构成雾状小物体在大气层底部绵延300公里，全部盖住了泰坦外貌。然而，旅行者号飞船的测定使我们很好地了解了泰坦的“气候”状况。雾状小物体对泰坦大气的热量均衡作用巨大，它们善于吸收太阳光又不善于散发热量，因此在离泰坦表面100公里的大气中层，温度保持在－113°C左右。但在离表面五十公里处，因为可透阳光甚少，温度急剧下降。再离表面近一些，氮气能够维持热量的散发、温度又渐渐回升到－180°C。

泰坦大气下层50公里处除了雾状小物质，还可能有含有甲烷的凝积云。泰坦上甲烷的状态可能跟地球上水的分布状态很相像。在我们地球上，几乎所有的水都集中在各大洋和两极的冰壳里，地表的温度决定了一部分水蒸气存在于大气层中。泰坦表面的温度约在气化甲烷和近固化甲烷的温度值之间，泰坦表面的不同区域可能存在着甲烷大洋和甲烷冰川，也可能会下甲烷雪和甲烷雨。

旅行者号飞船不仅帮助我们深入了解了土星的卫星，也使我们对土星环有了更清晰的认识。1655年，休琴斯第一次认识到土星环是环绕土星赤道平面但又与之分离的一圈薄薄的扁盘状物质。其后200年间，绝大多数科学家都认为这环是实心的或是液状的物质层。后来在1857年，英国物理学家J. C. 麦克斯韦用数学公式证明，如果此环真的是由上述物质构成的话，那么就会受土星潮汐引力的作用而脱离土星，大气微弱的外力就可使它们无法聚集在土星周围。麦克斯韦断言土星环肯定是众多的小物体构成的，它们依着各自的轨道绕土星旋转。1895年，宾夕法尼亚州匹兹堡大学阿勒尼天文台的天文学家J. E. 基勒证实了这个数学推断。他测定了不同部位土星环的运动速度，发现环内侧物体运动的速度快，进而证明土星环就是无数更为细小的小物体构成的。

土星环的主体分成亮环A、亮环B和暗环C。C环最靠近土星，A环则离得最远。A环和B环被卡西尼区域隔开，这是一条以它的发现者命名、宽三千五百公里的深色区域。A环之中还有一条以其发现者命名的叫恩克区域的缝隙。土星环主体从离土星中心约73，200公里处往外延伸至约136，200公里处。最近从地球和飞船上拍摄的照片都证实了在主环内侧和外侧都还存在着非常暗淡的土星环。旅行者号飞船首次发现的D环就是从靠近C环的内侧边缘开始一直延伸至土星的表面。先驱者11号飞船首次发现的极为狭窄的F环就在A环外侧4，400公里处。先驱者11号的数据还隐约指出在离土星170，600公里处有一个G环。旅行者号的照片证实了这一事实。最后，1966年从地球上直接观测到的极其微弱的F环约在离土星210，000 ~ 300，000公里之间。每个环前的字母不说明与土星之间的距离，而是显示了每个环被发现的时间上的顺序。

地球上各种观测表明土星环小物体几乎都是水成冰构成的，主体环中许多小物体的直径从几厘米至几米不等。旅行者号对最大的小物体作了更为精确的测定，又发现了二种不同体积的小物体。在A环和B环的某些区域，旅行者号发现了体积仅为千分之一毫米的颗粒、F环中绝大多数颗粒均此大小。然而，像直径从一公里至一百公里这样体积大得多的物体也存在于大部分土星环。另外，在C环和卡西尼区域均未发现任何微小颗粒。

土星环含有无数个体这一事实对环的厚度有重大影响。环内物体间发生的碰撞平均了彼此的运行速度，消除了速度的不一致性，使这些物体都以同一速度在大致同一的平面上围绕土星运行。正因为这样，这些物体才没有离散。土星环一直保持着仅仅几公里的厚度。

旅行者号飞船航行中最惊人的发现之一，是各土星环主体中大量互不相同的细微特征。它们的亮度不是清一色逐渐由亮到暗，而是每个区域内都有差不多无数个明暗交替的小环。这些不同亮度的变化表明距离土星中心数十公里乃至几百公里外土星环小物体在数量和种类上的变化。

在旅行者号飞船航行之前，有些科学家认为土星环与某些土星卫星的共振，尤其是与米玛斯的共振决定了土星环间是怎么被分开的。共振是当一个土星环物体的轨道周期是一颗卫星周期的简单分数时出现的一种大大放大了的引力。从旅行者号的照片上来看，大多数结构良好的土星环不可能是这种共振造成的。我们现在认为这基本上是由包埋在土星环内、直径可能为公里的小卫星造成的，它们的引力作用可以推开周围小得多的颗粒。

旅行者号的照片显示出F环由三个均为20公里宽的小环构成的。外侧两个环看上去有结头，周围某些部位有相互缠绕的现象。这种情况可能是这两个小环在位于F环两侧的1980S26和1930S27这二颗“看羊人”卫星飞近时F环某些部位受到引力突发作用而导致的；它们也可能是因为土星的磁场和对土星环物体表面的充电的相互作角而引起的。

研究行星的天文学家完全通过宇宙飞船来获取有关土星每一个现象的所有信息。地球上没有一架天文望远镜探测得出土星的强磁场，这磁场使得太阳风方向发生偏斜，生成一个称作电磁层的受护区域。太阳风是从太阳吹出、充填太阳系内各星体间空间的一种高速、纯净、磁化，完全电离化的气流。

科学家们发展应用了愈来愈复杂的数字公式来解释太阳系的合理起源和它早期状态。现在我们运用诸如旅行者号土星之航发回数据，便可对这些公式进行验证和修正。按一种广为接受的理论，太阳系里所有物体起源于太阳星云。约在46亿年前，整个太阳系里全是这种扁平的带有小颗粒的气团，包括土星在内的大行星早先都起源于太阳星云中某些气体密度较高的区域，它们的形成不是因为其中岩冰星核的逐渐形成就是因为太阳星云中的某种稳定性。我们认为土星的气态外壳原先为如今半径6万公里的几百倍。随着土星逐渐成形，愈来愈多的物质聚合起来了，土星也开始收缩，壳内温度逐渐上升，壳内纵深部的氢分子最后转化成氢原子。这种情况一出现，这个巨大的气团就立即猛烈收缩，当收缩到半径为30万公里时，其速度变得相当缓慢，直至今天的体积。

我们认为土星的卫星除了菲比之外，都是从扁平的气团和土星在其最后收缩阶段散落的尘埃形成的。尘埃颗粒，加上星云冷却过程中气团凝固产生的冰，渐渐聚合起来，形成了体积庞大物体——卫星。这些卫星的构造在某种程度上是土星星云的温度决定的，而这温度又是受初期土星释放出的过量热能控制的。上述理论如果正确，土星内圈卫星就应拥有相当数量的水成冰。先驱者号和旅行者号的数据倾向于肯定这一理论，因为数据显示出土星内圈卫星平均密度低，这正是典型的水成冰体积密度。

土星最外圈的卫星菲比可能先是在太阳系星云另外某处形成，尔后才被吸引到当时正在成形的土星范围内的。我们之所以认为菲比是颗被吸引进来的卫星是因为它的运转方向与土星自转方向正好相反；还因为菲比的运转轨道不成圆形，与土星赤道成30度夹角，跟土星所有其他的卫星正相反。

土星星云离土星愈远，它的温度就愈低。假如星云内部的水成冰能够形成，那么在泰坦这样的距离，低温足以能使氨、甲烷冷凝成某种冰。这些冰可能再变成某种原材料，再从这些原材料生成了泰坦大气中的氮和甲烷。

最后，土星初期星云的温度可能低得足以使水成冰能够在土星主环环体内成形。因为这些水成冰颗粒是在离土星相当近的地方形成的，所以潮汐的力量使它们无法聚合在一块再形成一个大的卫星。尽管旅行者号指明木星也有一个环，但与土星环相比要微弱得多，而且明显是由石块材料构成的。这种差异可能反映出早期各种星云的温度差异。假如旅行者号所发回的土星环内较大颗粒显示了靠近土星的颗粒形成的大小限度，那么这些土星环就为我们提供了一幅土星主要卫星成型过程中某一中间阶段令人着迷的快照。

作为设计组的一员，我们愿意同许多其他科学家们一道，继续研究旅行者号飞船发回的有关土星的资料。如果一切按预订计划顺利进行，旅行者2号将继续它的远航，到1986年为我们送来有关天王星的很有启发的资料。然后，它还将飞往海王星，完成首次宏伟的星际航行——（人类）对整个太阳系进行的史无前例的探测。

（Science Year，1982年）