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  • 揭开土星环起源的奥秘

        宋楠

        著名的土星环是天文爱好者们最喜欢欣赏的目标之一,同时也是科学家们研究的重要对象。近日,《科学》杂志发布特刊,介绍了美国等国家合作开展的“卡西尼”号探测器项目对于土星环探测的最新成果。科学家通过“卡西尼”号最后坠入土星前获取的数据,研究发现土星环比土星更加年轻,揭开了更多土星环起源的面纱。

        ■土星环  伽利略开启的探索之旅

        围绕土星赤道的巨大光环使得土星在八大行星里看起来与众不同,它把土星装扮成一顶金色的“草帽”,让每一个在望远镜里亲眼看到它的人都惊叹不已。

        最早欣赏到土星光环美丽身姿的,是400年前著名的天文学家伽利略,只不过由于那时望远镜分辨率的限制,土星环在伽利略眼中还是两个“耳朵”的样子。随后惠更斯确认土星的“耳朵”其实是围绕土星的环状物;卡西尼又发现土星环有许多缝隙,它其实是由许多小环组成的。后来的科学家通过更先进的望远镜和观测手段进一步证实,一个个小环又是由无数颗粒组成,它们的大小在1厘米到10米之间,主要是由水冰构成。可以说,天文仪器技术逐步发展的过程,也同时见证了人们对土星环从两个大“耳朵”到无数小颗粒的认知变化。

        带着“大草帽”的土星在所有行星里显得鹤立鸡群,而土卫六泰坦星由于拥有浓密大气,也在众多太阳系卫星中独一无二。怀着对土星环以及整个土星系统的种种好奇,人们已经不再满足于在地球上用望远镜“远观”,而是选择送探测器飞到土星边,近距离探究它美丽外表下的秘密。著名的“旅行者”号在飞过土星时留下了匆匆一瞥,发回的一系列土星照片,让科学家坚定了制造探测器专门研究土星的决心。应运而生的旗舰级探测器,就是“卡西尼”号。

        ■“卡西尼”号  二十载漫漫土星探测路

        1997年升空的“卡西尼”号,经过漫长的7年飞行抵达土星轨道,并对土星进行了长达13年的细致研究。工欲善其事,必先利其器。为了全方位多角度地对土星进行立体研究,“卡西尼”号携带了一系列当时最先进的探测设备,共有三大组数十个之多。它还顺便搭载了小兄弟“惠更斯”号探测器,专门用来研究惠更斯本人发现的土星卫星——泰坦。除此之外,强大的遥测设备也确保了探测到的数据能够高效地传回地球。这一身真金白银砸出的装备,都是为了进一步回答行星系统如何形成、它们随着时间如何演化、地球之外是否可能有生命存在等一系列问题。

        “卡西尼”号对土星十三载不离不弃的“守望”,收获了大量宝贵的新发现。它发现并研究了土星北极六边形风暴的生命轮回、土卫二南极区域喷涌而出的上百个间歇泉和冰层下的环球液态海洋、土星环的三维结构和动力学演化、泰坦大气的甲烷循环和表面由液态碳氢化合物组成的江河湖海、嵌于土星环内的土星卫星以及其他新的小卫星……新发现不胜枚举,让科学家们震惊不已。人类从未对这个遥远的土星系统有过如此精细全面的了解,是“卡西尼”号将土星从十几亿公里外“带到”了我们眼前。

        ■最后一搏  “卡西尼”号用生命换来数据

        著名战地记者罗伯特·卡帕有一句名言:“如果你的照片拍得不够好,那是因为你靠得不够近”,这句话在行星科学研究中也同样适用。

        2017年,守卫土星的老兵“卡西尼”号燃料即将耗尽,在它结束自己的科学使命之前,科学家交给了它最后一个艰巨的任务。

        在“卡西尼”号生命的最后,它被按照指令逐步降低绕转轨道,冒着被土星环上小颗粒撞击的危险,以12万公里的时速,先后22次穿越土星环最内侧的缝隙,并在与土星大气层的剧烈摩擦下最终解体,完成了它的“华丽最终章”。

        这是首次有探测器如此近距离地对土星环和土星表面进行探测,“卡西尼”号用自己最后的生命换来了无比珍贵的数据。那“卡西尼”号生命最后时刻传回的数据,又揭开了哪些土星环的秘密呢?

        随着对土星环几百年来的不断观测研究,我们已经对土星环有了较为全面的认识:主要的土星环,宽度从30公里到30万公里不等。距离土星从近到远按被发现的顺序命名为D、C、B、A、F、G和E环。其中,B环最宽、最亮,质量也最大。A、B、C三个较为明亮密集的环被称为主环。其他环相比之下则暗淡弥散得多,都是被飞过土星的探测器所发现的。每个主要的土星环又被一个个环缝分成许多小的子环。这结构复杂的土星环到底是如何形成的,科学家们一直充满了好奇。

        土星环是在整个太阳系诞生之初的混沌碰撞中就已经逐渐形成,跟土星一样有着几十亿年的历史?还是由于其他原因在土星形成后的某一时间它才出现,比土星要年轻许多?土星环的起源和年龄一直是困扰学界的疑问之一。关于这一问题的解答,不仅有助于科学家研究其他大行星环的形成,还可以帮助重建整个太阳系的形成历史。许多科学家寄希望于土星环年龄如果与土星相仿,则可能在它身上找到早期太阳系形成的关键线索。而揭开这一问题的关键就是准确测定土星环的质量。科学家通过研究掌握了土星环质量和年龄的关系:质量越低,土星环越年轻。但是土星环的质量无法像我们给物体称重那样直接测量得到,这就需要通过研究土星重力场来间接确定。

        土星环质量的确定对于以往“远观”土星环的探测器来说绝非易事,因为很难将土星环和土星区分开来。而“卡西尼”号最后时刻近距离穿越土星和其最内环之间的缝隙,在那里同时“感受”来自土星和土星环对它不同方向的引力拉拽,为精确测量土星重力场分布、得到土星环质量提供了绝佳的条件。

        ■最新分析  恐龙出现的时代土星还没有光环

        《科学》杂志上公布的最新研究结果,为我们揭开了土星环年龄和起源的面纱。通过数据分析和模型反演,土星主环的质量大约为1.54×1019千克,相当于土卫一质量的0.41倍。先前有理论模拟认为土星环质量是土卫一的2.5倍,“旅行者”号给出的估算是0.75倍。最新的结果证明了土星光环的质量要更小。以此估算出,土星环大约形成于距今一千万至一亿年前。这一结果与之前通过“卡西尼”号携带的宇宙尘埃分析仪得到1.5亿年至3亿年的结果基本吻合,甚至还要更年轻些。也就是说,土星环相比于45亿岁的土星要小很多,它并非形成于早期太阳系中,而是后来才逐步形成的。很可能在早期恐龙生活的时代里,土星还没有美丽光环。

        “卡西尼”号对于土星年龄的估算,使得先前许多模型中土星环与土星同时形成的理论不再适用。科学家们又提出了另一种可能的解释:由于土星巨大的引力作用,将它周围可能存在的彗星、小行星甚至小卫星瓦解,被撕裂的碎片相互碰撞成更小的颗粒,并逐渐围绕土星运动而形成了土星环。《科学》杂志同期发布的另一篇文章介绍了高分辨率图像下土星环上的一些纹理结构细节,其中发现F环上的一系列冲击产生的条纹具有相同的长度和方向,很有可能是由同一类来自土星周围卫星的物质在同一时期产生,而不大可能来自于太阳系的彗星残骸。也就是说土星周围的小卫星很可能是土星环物质的重要来源。

        早前公布的结果指出,“卡西尼”号还清晰地拍摄到了土星环不断变化的细节:环中的颗粒在彼此不断地相互挤压,环上的粒子在持续不断地坠落到土星上。由于土星环物质的不断损失,有研究估计土星环将会在3亿年后耗尽,如今的耀眼光彩将不复存在。基于上述土星环将会消失的推测,有些科学家又产生了新的疑问,那土星是否还存在或者曾经存在过更年老的土星环,只不过已经随着时间流逝变得十分暗弱甚至完全消失了?更古老的土星环如果存在,是否会像部分科学家所希望的那样,是跟土星乃至整个太阳系一起诞生的呢?

        虽然两年过去了,但“卡西尼”号“拥抱”土星前留下的数据遗产,依然是科学家研究土星磁场、电离层、大气层和土星环等方面的巨大宝藏。更多最新的研究成果还在源源不断地公布出来。

  • 古建筑雷击起火背后的机理

        获奖论文:《古建筑木材雷击损坏实验研究》 北京市科协第十四届北京青年优秀科技论文三等奖

        论文第一作者:北京市气象局灾害防御中心高级工程师 李京校

        我国古建筑多用木材特别需要防雷击

        我国古建筑在世界独树一帜,它和欧洲建筑、伊斯兰建筑并称世界三大建筑体系。我国古建筑非常多,是国家重要的人文旅游资源和珍贵文化遗产,具有不可复原性。因此古建筑的安全保护显得尤为重要,防止自然灾害的破坏也是古建筑保护的重要任务,防止雷电破坏就是其中之一。

        我国古建筑大多以木材为主要建筑材料,除石坊、砖塔外,屋架主要为木结构,其中梁、柱、斗、拱、檩、椽、窗等构件均为木材制作。一般的古建筑每平方米建筑面积约需用1立方米的木材,远远大于现代建筑中木材用量每平方米不大于0.03立方米的标准。古建筑由于其自身的结构、位置、材料等特点,从古至今因雷击起火被焚或雷击后遭受破坏的事件时有发生,所以研究古建筑木材雷击损坏的成因和机理很有意义。

        利用模拟雷电实验开展雷击破坏研究

        自然界中雷电为瞬时性、随机性,利用模拟雷电实验开展雷击破坏研究是较有效的方法。本研究在实验室利用雷电模拟装置,选用IEC标准中推荐的雷击电流波形,选择古建筑有代表性的松木材料,进行了古建筑木材雷击受损方式及影响因素的研究。

        实验过程中,改变古建筑木材性状和雷电流参数进行多次实验,研究古建筑木材雷击受损的主要影响因素和破坏方式。雷击瞬间,会产生“啪”的巨大爆炸声音,放置实验样品的实验台的玻璃门被冲开,有很强的白光瞬间出现又消失,接着有很多耀眼的火星四处飞散然后消失。

        木材含水率和厚度对雷击后果有重要影响

        研究结果表明:当木材含水率较低时,遭雷击后木材会灼黑或烧糊,主要是雷击电弧灼烧破坏。当木材含水率较高时,遭雷击后更容易出现损伤坑或劈裂,主要是雷击机械能破坏。此外,含水率越高的木材损伤深度越深,损伤面积越大,即含水率越高时雷电流注入越深。

        雷击发生时,木材越厚越不易着火,但如果木材质地疏松或其他原因产生缝隙就容易着火,木材太薄时雷电冲击波作用力也会对其产生影响。

        雷电流强度越大,雷击后木材损伤的现象越明显,木材损伤面积越大,损伤深度越深。雷电流峰值和木材含水率是影响木材损伤程度的最主要外因和内因。

        总体而言,古建筑木材遭受雷击破坏的主要影响因素为木材含水率、木材厚度和雷电流强度等,破坏过程包括雷电弧灼烧、雷电流注入木材的发热升温以及雷电空气冲击波等破坏作用,情况不同破坏作用方式也不同,是一系列复杂的物理和化学变化共同作用的结果。

        本研究通过实验探明雷电在古建筑木质构件上的损坏作用机理,确立雷击点处能量的耗散方式,揭示雷击木材破坏影响因素和方式,对古建筑雷击起火机理有更全面深入的认识,为北京市古建筑防雷设计施工提供科学指导和参考,对古建筑保护具有积极意义。

  • 机器人“费多尔”

        叶倾城

        据国外媒体报道,俄罗斯航天机构表示,近日最新研制的一款人形机器人将抵达国际空间站,它被命名为“费多尔”(Fedor),是“最终实验演示研究”相对应的英文首字母。

        这款人形机器人也被称为“普京的机器宇航员”,它可以探测目标,并能在特殊位置完成专项任务,例如操控方向盘。这款人形机器人可以爬行、跌倒后站起来、进入和离开汽车驾驶座位、操控工具以及在普通建筑内完成任务。

        “费多尔”身高6英尺(大约1.83米),重量不低于233磅(大约105公斤),这取决于额外设备的重量,它可以举起44磅重的货物。

        “费多尔”将于8月22日搭载联盟MS-14飞船从拜科努尔航天发射场升空前往国际空间站。

        机器人设计方俄罗斯FPI公司称,“费多尔”的一项关键任务是“协助建造和使用月球和其他潜在行星上的基地”。

  • “机器人短裤”

        周舟

        美国和韩国研究人员最新开发出一款便携式“机器人短裤”,这种辅助设备可以让穿戴者行走和跑步更加轻松。

        研究人员在新一期美国《科学》杂志上发表论文介绍,这种柔性“机器人短裤”重约5千克,包括驱动系统以及将腰部和大腿包裹起来的织物。测试显示,该设备可识别穿戴者的步态,并提供相应协助,使其行走时的能耗降低9.3%,跑步时的能耗降低4%。

        研究人员说,走路和跑步的生物力学原理有所不同,人体可在两者间快速切换,步态的转换几乎可以“无缝过渡”,但开发能够同时支持这两种步态的机器辅助设备并不简单。先前已有研究人员设计出可助力行走的机械外骨骼,但开发跑步辅助设备并不是很成功,有些设备因自重太大反而成为使用者的拖累。

        这种“机器人短裤”未来用途广泛,可帮助步态障碍患者行走、协助从事危险工作者完成困难任务或用于娱乐休闲等。

  • 让蜻蜓教导弹

        王信强

        蜻蜓在地球生存已有3亿年之久,其祖先成为进化出翅膀的最早昆虫之一。

        蜻蜓出击稳、准、快、狠,对猎物做出反应的时间仅为50毫秒。它对人类无害,但对其它昆虫却是致命的。一旦出击,成功率高达95%。蜻蜓是地球上最杰出和最致命的杀手之一。

        据美国媒体报道,2018年起,美国桑迪亚国家实验室开始对蜻蜓这一功能进行研究,想要知道是什么让蜻蜓成为如此杰出的杀手,试图揭晓这一古老的秘密。

        一年后,从事研究的计算神经科学家弗朗西斯·钱斯透露,通过一种算法,可模拟蜻蜓在截击猎物时如何处理信息,并已在实际环境中进行测试。迄今为止,结果令人鼓舞。如果科学家掌握这一技能,其结果就是出现前所未有的更为低廉、轻型和致命的导弹。

        本版部分图片/视觉中国、美国航天局网站