研究
数量:11 (2)DOI: 10.37532 / 2320 - 6756.2023.11 .324 (2)“轮辐”的另一种解释观察到土星的光环
收到日期:13 - 2 - 2023,手稿。tspa - 23 - 89317;编辑分配:15 - 2 - 2023,PreQC没有。tspa - 23 - 89317 (PQ);综述:22 - 2 - 2023,质量控制。tspa - 23 - 89317 (Q);修改后:24 - 2 - 2023,手稿。tspa - 23 - 89317 (R);发表:26 - 2 - 2023,DOI。10.37532 / 2320 - 6756.2023.11 .324 (2)
引用:Doolan F j .“轮辐”的另一种解释观察到土星的Rings.2023; 11 (2): 324。
文摘
首先观察到业余天文学家斯蒂芬·j·奥米拉在1970年代和随后观察由旅行者号飞船飞越在1980年代早期(图1),它是意识到“轮辐”耀斑像车轮的辐条。观察到的行为的“轮辐”表明它们不是由地球引力相互作用,卫星,或环的材料。2005年,卡西尼号探测器证实了“轮辐”可能的影响下天然气巨头的全球磁场。这里显示“轮辐”出现在土星的光环是由在热解碳涂层的硅酸盐颗粒通过化学气相沉积(CVD)的过程。热解碳是一个高度抗磁性物质,可以漂浮上面一个足够强大的磁场。“轮辐”也由冰晶组成,抗磁性。光电效应可以用来解释为什么硅酸盐涂层热解碳返回到主环结构暴露在阳光下的一个特定的频率。热解碳颗粒成为顺的一些unhybridised 2 pz轨道失去未配对电子离域,因此π键分子轨道结构崩溃。热解碳颗粒现在吸引向上方和下方发出磁场主环结构。建议在土星B环的辐条是永远存在的,不需要等离子触发事件增加等离子体密度。 The ‘spokes’, however, are only visible when a favorable viewing angle is allowed, and their visibility is also dependent on the angle of the sunlight hitting Saturn’s rings.
关键字
抗磁性;光电效应
介绍
提出了各种模型来解释“轮辐”的外观观察到土星的光环。最被广泛接受的模型声称的陨石轰击环产生一个瞬态的稠密等离子体云尘埃,导致灰尘漂浮上方和下方的平面环(1,2]。据推测,轮辐是由共振环内的振荡之间的交互和旋转磁场图1(3]。
图1:“航行者”号的辐条(形象4]。
另一个模型(琼斯,2006)表明,生产的“轮辐”可能前往电子束的戒指,在位置磁与雷暴。研究人员表明,土星的电离层密度控制“轮辐”形成的位置。电子束传播的戒指可能产生观测到的x射线和供应土星辐射带粒子,因此修改环的组成随时间(5]。科学家(Goertz, 1984)表明,土星的光环的“轮辐”是由静电带电尘埃粒子悬浮在土星的磁场(6]。因此这些粒子与地球同步旋转而不是其环粒子显示关于土星的开普勒运动。有时,由于角度的阳光,这些静电带电尘埃颗粒失去静电电荷和落回主环结构因此“轮辐”消失。“轮辐”曾被观察到在卡西尼宇宙飞船能够形成分钟的时间尺度和消失在几小时7]。
假设
小比例的碳组成土星环是抗磁性热解碳。在土星的行星盘的形成,提出,沉积热解碳是通过化学汽相淀积(CVD)的碳氢化合物气体,如甲烷,在细粒硅酸盐作为衬底。这些优良的谷物的硅酸盐在热解碳涂层可以漂浮高于或低于一个强大的磁场由于热解碳高度抗磁性。也表明,土星B环有一个足够强大的磁场垂直的上方和下方发出其平面漂浮这些热解碳颗粒。
假设的理由
在实验室已经证明,抗磁性热解碳上面漂浮一个足够强大的磁场,看到(图2)。
图2:悬浮热解碳(8]。
热解碳是一种人造的物质,但它是预测,土星环由一小部分热解碳。这种类型的碳形成的真空高温1400 k以上,这个过程称为flash真空热解。黑暗中“轮辐”观察到的土星B环由过渡定期的悬浮粒子运动与土星的旋转磁场的同步主环内正常开普勒运动。黑暗的辐条只是观察到土星B环中对应于1500 K地区行星盘形成(图3)。
图3:行星盘形成(10]。
研究
研究(亨宁等。2013)表明,在土星的最里面的部分形成行星盘会达到这样的高温下继续工作。在下面的行星图(图3),1500 k地区将对应于土星B环,这就是为什么黑暗“轮辐”只是观察到这枚戒指。温度在1500 k地区会太冷,所以没有黑暗”说的形成将会观察到土星B环之外(9]。
“土星的环系统的盘是我们最接近的灰尘和碎石了出生45.5亿年前,地球和其他行星。原行星盘成形时,球团超冷气体和尘埃的重力作用下开始崩溃。随着旋转云萎缩,光盘的形式,围绕新生的太阳。一旦太阳吹了气,盘轨道碎石会像土星的环系统的光盘“卡尔·默里教授说11]。
行星盘表面温度、质量和速率的质量在秋天到磁盘可以被观测估计疑似来自于磁盘。太阳星云的温度是限制地点和时间进行分析所显示的形成原始陨石、彗星,及其组件。硬盘温度与理论模型良好的协议的磁盘进行质量吸积由于流入云信封。因此,内部磁盘上的预测温度适度温暖(500 - 1500 K)内部磁盘,包围着一个很酷的(50 K - 150 K)外部磁盘(12]。
当土星的思维,一个自然会把很冷的温度与地球,因此所需的温度1500 K热解碳不太可能。(时代,2020),然而,最近的数据表明,土星的核心实际上是很热。土星的熔融岩石金属核心温度估计有12200oC (13]。从而使土星的核心温度比太阳表面的。
土星的环雨的化学成分
碳氢化合物如甲烷可以转换为热解碳的温度高于1400 k如下方程(1)中指出。研究(Spilker, 2019),也表明,卡西尼任务发现大量的各种碳氢化合物在土星环产生的“雨”。图4代表“环雨”的构成由土星环(14]。应该注意的是,硅酸盐也发现“环雨”中图4忽略了。
图4:组成环雨(15]。
研究人员发现甲烷、氨、一氧化碳、氮分子,和二氧化碳。甲烷是完全出乎意料的是二氧化碳。研究人员预期更多的水冰。氢分子是最丰富的成分高度采样。观察水在秋天的戒指,以及大量的甲烷、氨、分子氮、一氧化碳、二氧化碳,和影响的碎片有机纳米粒子16]。倾盆大雨从环包括大量的水和碳氢化合物如丁烷和丙烷(17]。
热解和气化
也称为合成气,合成气是分子含有氢、甲烷、一氧化碳、二氧化碳、水的蒸汽,以及其他碳氢化合物和可压缩的化合物。这是一个主要产品气化和大多数产品高温热解进行任何生物,残留物,浪费。当热解产生的,它是由挥发性化合物的蒸发从原料使用热量,这引发了一系列复杂的反应。从热解气体通常含有大量的甲烷,氢气,一氧化碳,二氧化碳,以及更大的碳氢化合物,建立他们的热值和让他们重要燃料化学和能源行业(18]。气化是一个转换的过程吗生物质成气体,产生大量的:氮、一氧化碳、氢气和二氧化碳。这是通过反应生物质在高温下(通常大于700ͦC没有燃烧,通过控制氧气的数量和/或蒸汽中反应。由此产生的合成气是高度易燃燃料由于大量的水和一氧化碳气体主要是由。进一步反应之间的一氧化碳和残余水有机物质形成甲烷和二氧化碳过剩,方程(2)(19]。
在气化,改革是一个意味着提高氢的比例由碳氢化合物分解成一氧化碳和氢气,方程(3),如果生物质已经由碳氢化合物,对合成气改革是第一阶段。
热解的化学过程气化或许可以解释在冰和其他成分源自的土星环。因此,长久的假设,土星的光环时形成一个Titan-sized月球岩石内核和冰冷的地幔可能不需要升级到土星(20.]。
抗磁性
抗磁性材料的属性由属性称为磁化率χ。磁化率和磁导率之间的关系是用方程(4)表示的。抗磁性材料的磁化率小于0和1的最小值:
μv材料的磁导率。超导体是最抗磁性材料(-1.04×103其次是热解碳(-4.09×104),那么铋(-1.66×104)看到表1。
表1抗磁性材料(21]。
| 材料 | 抗磁性强度×105国际标准单位 |
|---|---|
| 超导体 | -105年 |
| 热解碳 | -40.9 |
| 铋 | -16.6 |
| 汞 | -2.9 |
| 银 | -2.6 |
| 碳(钻石) | -2.1 |
| 铅 | -1.8 |
| 碳(石墨) | -1.6 |
| 铜 | -1.0 |
| 水 | -0.91 |
抗磁性力量感应磁场在材料有一个非常不同的行为从平方反比法律部队。抗磁性力取决于平方的梯度磁场方程(5)所示:
在那里,V是抗磁性物质的体积,μ0是真空磁导率,B是磁场(22]。
热解碳的磁化率
热解碳具有很高的抗磁性可以解释黑暗“轮辐”观察到土星的光环。因为热解碳抗磁性(由磁场排斥)就没有检测到的“环雨”从土星环的气氛。建议黑暗的辐条是细颗粒的硅酸盐在热解碳由于flash真空热解的过程在土星的形成。热解碳是最著名的材料显示超导材料我最相似的属性。反磁性。强大的土星的带电离子密度的变化大气产生强耦合的可见环主要由冰带电粒子(23]。土星的光环因此带电,因此必须产生一个电场。米切尔et al . 2006状态:“因为收费的环和由此产生的电场,电子和离子密度上方环不会平等”(2]。因为土星环是带电与电场有关,提出了环必须发散磁场垂直的上方和下方的环平面。因此,土星环可以被认为是一种电磁现象,也建议教授弗拉基米尔•Tchernyi [24]。环的磁场使硅酸盐热解碳覆盖的细颗粒漂浮上方和下方的主要ice-ring结构由于其高度抗磁的特性,因此生产观察到的黑暗和光明的“说话”结构,在同步旋转的旋转土星的磁场。辐条的光谱辐射功率的分析提供了一个特定的周期约为640.6 + / - 3.5分钟几乎伴随着时间的旋转磁场的土星(639.4分钟)。教授Tchernyi状态:“此外,很强的相关性之间的活动的最大值和最小值的辐条光谱磁经度与辐射的存在与否土星的公里的辐射(SKR)”(25]。黑暗的辐条是最明显的两个季节性春分和秋分的照明环是大大减少可能的独特观察突出环平面特性,离开我。e硅酸盐的悬浮细颗粒热解碳。黑暗中“轮辐”成为可见的主要是由于两个原因26]。首先是由于土星行星发光冰粒子反射的戒指,但吸收的细粒硅酸盐覆盖在热解碳季节性春分和秋分。海德曼(2017)指出:“我们将突出的重要性,包括照明来源其他比太阳的辐射传输分析,即Saturn-shine ring-shine”(27]。其次,由于等离子体密度的增加减少照明造成的土星环在春分和秋分,允许硅酸盐在热解碳涂层成为“充电”。因此重获他们的抗磁性性质,使他们能够漂浮上方和下方土星B环平面。2012年,在日本一个研究小组(小林,2012)表明,热解碳可以应对激光或足够强大的自然阳光旋转或移动的方向场梯度。碳的磁化率削弱在足够的照明,导致不平衡磁化物质和运动的时候使用特定的几何形状(28]。这或许可以解释为什么黑暗的辐条在土星的光环出现在春秋季节至少来自太阳的光照。因此,热解碳颗粒漂浮主环的上面和下面。来自太阳的光照会削弱热解碳的磁化率,导致热解碳颗粒返回到主环。
杂交的碳
化学气相沉积(CVD)过程中甲烷气体的碳原子会分享杂化sp2电子与他们三个相邻的碳原子(图5)。因此,形成一层平面结构的蜂窝网络(1200键角),也称为单层石墨烯。在热解碳,这些层会形成turbostratic结构即石墨烯层排列没有秩序,但是有一些共价链接之间的层(图6)。当阳光的特定频率的热解碳颗粒表面的电子离域π分子轨道由unhybridised 2 p的重叠z轨道崩溃由于电子密度下降引起的电子喷射通过光电效应(图7 a, b)。
图5:sp2杂化轨道的形成(29日]。
图6:Turbostratic石墨烯单层结构(30.]。
图7:价电子成键理论2 pz轨道描述。图7 b。π分子轨道描述(31日]。
根据价电子成键理论,unhybridised 2 pz轨道将空置或将有一个未配对的电子,从而使热解碳颗粒非常顺。热解碳颗粒现在吸引了来自土星B环向磁场。后回到主环结构的热解碳颗粒成为“充电”的等离子体密度达到最大值,这发生在太阳光照的戒指至少即在春分和秋分。unhybridised 2 pz轨道现在能够重建他们的π分子轨道结构由于电子密度的增加。由于电磁感应,π电子的债券成为高度抗磁性。
电磁感应
硅酸盐在热解碳涂层成为抗磁性当暴露在强磁场正交由土星B环平面。由于电磁感应过程,磁通量变化产生热解碳的电子离域的π分子轨道。法拉第的第二法律电磁感应方程(6)规定,将会有一个EMF诱导的电子2 pzunhybridized轨道将倾向于反对改变磁通根据楞次定律,法拉第的第二个方程(7)法律电磁感应要求感应电动势等于磁链的变化速度。法拉第的第二法律电磁感应的州,
因此楞次法律州,
ε是感应电动势,N是在手,ΔΦ磁通量的变化,Δt时间的变化。因此,将会有一个电动势,倾向于反对磁场。EMF将引起更大的电流2 pz离域电子是在手性比其他2 pz游移电子反对在手。由此产生的效果是现在的磁矩不取消。因此,所有2 pz热解碳的离域电子像小磁铁,因此,热解碳颗粒会高度抗磁性,会被磁场所土星B环的上面和下面。
讨论
只有当太阳在春分和秋分导致照明的戒指至少是土星环之上和之下的等离子体密度达到最大值。因此不需要触发机制如闪电增加等离子体密度高于或低于环平面是必需的。由于等离子体密度增加2 pzunhybridised轨道能够获得电子重建π分子轨道表面的热解碳。通过电磁感应热解碳颗粒的过程变得高度抗磁性使它们漂浮土星B环的上面和下面。黑暗的辐条在土星B环成为可见的反向散射光(图8)。这个拟议的机制表明,土星B环产生一个磁场,散发其环平面垂直的上方和下方。明亮的“轮辐”(图9视角),可见在环无光的一侧土星环当太阳光照的戒指是在最大(直接低于或高于环平面)。明亮的“轮辐”可以解释由于向前散射引起的光热解碳的谷物漂浮在土星环平面之上。
图8:正向和反向散射的光(33]
图9:明亮的辐条在由卡西尼号土星带来的观察32]。
明亮的“轮辐”,出现在土星的光环照亮的一面可能是由于阳光反射小,悬浮冰粒子。这些小冰晶也抗磁性但与硅酸盐热解碳,他们仍然不受自然光照即不影响磁容易自然阳光光电效应将不会发生,所以他们仍悬浮高于土星的主环。因此,明亮的“轮辐”应该是可观察到的足够的照明,太阳和正确的观察角度的观察者。明亮的“轮辐”可能会突然消失,当太阳的光照达到一个临界点,导致悬浮冰晶升华由于太阳光的强度。
卡西尼号/ VIMS光谱仪
“轮辐”的第一检测使用卡西尼号土星B环发生在2018年7月VIMS光谱仪。宽光谱rangem(0.35μm - 0.51μm)是用来测量第一个完整的反射光谱的多个“轮辐”(图10)。获得的光谱表明,轮辐由球状水冰粒子。这些冰粒子有一个宽粒度分布集中在模态半径约为1.90μm,明显大于以前模仿。已经验证了光谱分析上鲜艳的辐条的土星的光环照亮的一面是水冰粒子。光环的光谱分析表明,H2近红外线O占主导地位。然而,有一个急剧下降的反射率短病房大约0.6μm,必须由于一些其他物质(27]。
图10:卡西尼号/说话(VIMS光谱图像34]
最近的研究Ciarniello出版社,2019环的可见光和近红外线光谱识别tholins-reddish,富含有机物,耐火材料作为可能的污染物负责明显的红色戒指可视波长(35]。Cuzzi埃斯特拉达(1998)在研究土星的光环的颜色,发现材料产生明显的红色在a和B环产生的粒子。他们注意到,“没有硅酸盐有陡峭的适当组合光谱斜率和高吸收率解释环的视觉色彩,同时保持与微波观测兼容。“泰坦tholin匹配粒子的颜色和反射率时纳入水冰的谷物。他们建议暗环可能包含“材料与炭黑等属性,如至少在某些彗星和星际尘埃粒子,需要“(36]。造型,波利特和Cuzzi(2002)和波利特et al。(2003)建议tholins和无定形碳达到适合的观测数据μm 0.3 - 4.0μm范围(37]。进一步得出结论,波利特et al . 2003年,A和B的戒指,而碳颗粒紧密混合“盐和胡椒”的方式与冰,tholins是在分子水平上混合在冰颗粒本身(38]。
Cruikshank et al ., 2005表明tholins展览和弱吸收功能相对较少VIMS近红外线地区除了在波长3.0μm和4.5μm附近的水冰也高度吸收所示(图10)[39]。没有黑暗的辐条将可观测土星B环下面一边由于来自太阳的光照导致热解碳粒搬回主环由于光电效应。热解碳颗粒失去一些电子离域unhybridised 2 pz因此成为顺。现在热解碳颗粒可以搬回主环由于磁场所吸引。黑暗的辐条春秋分时才显现出来,由于太阳的最低水平的照明环和反向散射的光。土星B环之上和之下的等离子体密度增加到最大导致热解碳2 pz“充电”即获得电子轨道。因此,热解碳颗粒可以改革其π分子轨道和恢复高度抗磁性性质,使他们能够漂浮上方和下方土星B环平面。
结论
flash真空热解的化学过程转化为碳氢化合物如甲烷热解碳在温度高于1400 K在行星盘土星的形成。热解碳涂层了细粒硅酸盐通过化学气相沉积(CVD)的过程。的硅酸盐涂层热解碳现在能够漂浮高于或低于来自土星的光环的磁场,由于高度抗磁性热解碳的性质。如果一些“轮辐”包括热解碳,那么这将证明土星环后形成的行星土星形成云。因此,土星环的争论关于年龄因此将一劳永逸地休息好。根据阳光的角度和频率的细粒硅酸盐涂层热解碳的光电效应将导致弹射的离域π电子从热解碳的分子轨道。这导致热解碳的分子轨道崩溃成离散的未配对2 pzunhybridised轨道,因此变得很顺。热解碳的谷物将返回主环时的磁场吸引来自土星B环。
黑暗的辐条土星B环只是可见春秋分时由于最低被太阳光照的戒指。明亮的“轮辐”应该是可见的,当太阳是高于或低于飞机的土星环。因此,可以得出结论,土星总是“轮辐”但他们的黑暗或光明的类型取决于太阳的位置相对于angleat土星和观察者的观察环。
土星环是一个电磁现象所显示俄罗斯的弗拉基米尔•Tchernyi教授。土星产生电磁场,包括地球的赤道地区。这些电磁场由磁场产生环平面垂直的上方和下方。土星环类似于磁力线产生在实验室使用钕磁铁和铁粉。它也预测,从碳质小行星)和最近的样本Ryugu将包含大量的热解碳抗磁性。进一步研究热解过程和建议气化尽可能的化学过程,可能有助于解释所有地球的水来自哪里。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突的这篇文章。
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