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自1997年发射以来，“卡西尼号”飞行器已经在太空中旅行了62亿千米，并向地球发回了4500亿字节的数据，其中包括超过30万张风起云涌的土星、雄伟壮丽的土星环以及丰富复杂的土卫（土星卫星）系统的图像。作为“卡西尼号”成像科学团队的领头人，卡罗宁·波尔克女士负责收集和分析这艘飞行器传回家里的所有高像素照片，并且在一个专门网站上回答公众对于这些照片的疑问。
透过“卡西尼号”的视野，波尔克仿佛在凝望土星的环系统，那里的数万亿次甚至更多次微粒推撞产生了环中怪异的裂缝、轮辐和不断迁移的连环堆积。她目睹了爆发于土星淡黄色大气层中的一场直径宽达29万千米的巨型风暴，它环绕土星并不断爆裂出蓝色闪电。当“卡西尼号”发现比水星还大的土卫六（泰坦）两极点缀着由液态甲烷和乙烷组成的湖泊时，波尔克也在场。
“卡西尼号”任务带来的最大惊奇或许是，波尔克看见了从土卫二（恩克拉多斯，与美国科罗拉多州面积相仿）喷发的、含有有机化合物的明亮水冰射流。恩克拉多斯曾被不屑一顾，因为它被认为是一颗枯燥、惰性、由冰和岩石组成的球体而已。但事实上，恩克拉多斯上面的水冰喷泉是太阳系中最令人讶异的景象——因为恩克拉多斯没有大气，所以其水冰喷泉可喷射到太空无限远处。
也许是一种时间巧合，波尔克大学毕业后的第一份工作是参加“旅行者2号”飞行器任务的科学团队。当时是20世纪80年代，“旅行者2号”正经过木星和土星飞往天王星和海王星。当“旅行者2号”完成其行星之旅后，美国宇航局开始为土星跟进任务做准备。1990年，波尔克被任命为“卡西尼号”飞行器的成像团队负责人。“卡西尼号”飞行器是根据意大利-法国天文学家乔万尼·卡西尼的名字所命名的，正是此人发现了土卫中的四颗和土星环中的一条裂缝（现在它被称为“卡西尼环缝”）。此后，波尔克一直在“卡西尼号”任务组工作。
如果说两艘“旅行者”（还有一艘是“旅行者1号”）进行的是探索太阳系未知地带、最终飞出太阳系的史诗般之旅，那么“卡西尼号”任务则是一种相对永久性的逗留。“卡西尼号”的使命是在飞过土星系统各成员的过程中尽量拍摄它们的图像，其中探索时间最长的对象就是土星本身——“卡西尼号”将环绕土星许多年，目的是弄清它究竟是一颗什么样的天体（请参见相关链接《土星》）。“卡西尼号”飞行器是如此成功，它始于2004年的任务期原定为4年，至2008年结束，但至今已延期两次，任务期将持续到至少2017年。
通过她介绍给读者的这些土星系统的漂亮图片，波尔克希望读者能对土星、土星环和土卫们有一个直观的了解。
土星
土星是太阳系中排在木星之后的第二大行星和距离太阳第六近的行星，也是一颗气态巨行星，其平均半径大约是地球的9倍。土星密度只有地球的1/8，质量超过地球的95倍。土星很可能有一个由铁、镍和岩石（硅和氧化合物）组成的内核，内核之外是由液态氢和液态氦组成的中间层（过渡层），中间层之上则是气体外层。土星显示出的淡黄色，是由于上层大气中存在的氨晶。金属氢（指氢的行为像导电体的状态）层内部的电流被认为是土星磁场的根源，土星磁场比地球磁场稍弱，强度只有木星磁场的大约1/20。土星的外层大气相当平淡，缺乏色彩反差。土星上的最大风速可达每小时1800千米，比木星上的风速还快，但不如海王星上的风速快。
土星四季
橘红色的泰坦位于土星前方，土星环在此图中则像一条斜线。这幅图像拍摄于2012年5月，其中包含着一个惊奇：与“卡西尼号”2004年拍摄的首批土星图像相比，土星南半球现在微带蓝色，北半球则失去了蓝色。波尔克意识到自己正目睹土星微妙的季节变化——土星上的1年相当于地球上的29.4年。来自太阳的超紫外辐射在土星大气层中“踢”起雾霭。到了冬天，当太阳位于一个低角度时，雾霭消褪，于是大气层变得明亮起来，蓝色得以显现。如果你能飘浮在土星的冬季云中，你抬头便可看见一道环弧令人难以置信地悬挂在像地球一样的蓝色天空中。
泰坦烟雾
此图中，泰坦位于土星的亮环以及被撞得遍体鳞伤的小小土卫十一（厄庇墨透斯）后面。泰坦是土星最大的卫星，它让天文学家迷惑了300多年。当“旅行者1号”1980年经过它时，科学家失望地只看到一颗被烟雾笼罩的毫无特色的球体。直到“卡西尼号”探测泰坦之后，科学家才知道被厚密大气层包裹着的泰坦是一颗多么精彩的天体。对于泰坦的全新认识，标志着人类对太阳系的认识乃至对宇宙的认识的又一个里程碑。
泰坦湖泊
通过雷达、红外以及视觉成像，“卡西尼号”揭示了泰坦表面的一连串甲烷和乙烷湖泊，这使得泰坦成为除地球而外，太阳系中乃至太阳系外已知其表面存在液体的唯一的世界。这幅雷达图像经过伪色（添加色彩）来强化泰坦表面的崎岖平原（褐色）及顺滑湖泊（蓝色），这些湖泊中看来充满了季节性的碳氢化合物“降雨”。有科学家推测，泰坦湖泊中或许存在地球人匪夷所思的外星原始生命（请参见相关链接《泰坦表面下也有生命？》）。
泰坦表面下也有生命？
根据实验室模拟结果，一些科学家猜测，泰坦上存在足够的有机材料，能够开始与地球生命奠基相似的化学演化过程。当然，这需要满足一个假定条件——液态水在泰坦上的存在时间比目前观察到的更长。多种理论暗示，由天体碰撞带来的液态水可能保存于泰坦的表壳下面。还有科学家推测，泰坦表面下很深处可能存在液态氨海洋。一种模型暗示，在泰坦表壳以下的200千米深处存在氨-水混合物海洋，那里可能也存在生命（而不仅仅是在泰坦表面可能存在生命）。对于维持泰坦可能存在的地下海洋生命来说，泰坦内部与上层之间的热传递非常重要。
但也有科学家指出，泰坦生命面临重重难以逾越的障碍（言下之意是泰坦生命存在的可能性为零），把泰坦与地球进行类比是不恰当的。由于十分远离太阳，泰坦异常寒冷，而且它的大气层缺乏光合作用所需的二氧化碳。在泰坦表面，水只能以固态存在。由于这些困难，泰坦存在类似地球生命的生命（哪怕是微生物）的可能性不大。不过，就算泰坦上不存在生命，也存在生命即将起源以前的环境，了解这样的环境有助于了解地球生物圈的早期历史。 北极风暴
2010年晚些时候，一场风暴肆虐土星北半球并增大到巨型规模，几乎包裹了整个土星，8个月之后才消散。这一系列图像所显示的风暴发展过程，证明了在轨环绕探测一颗行星的科学价值。这场风暴与地球风暴有一些奇异的相似之处：它很可能也降下了充沛的液态水。此外，“卡西尼号”搭载的相机还拍摄到了土星大气层中的一系列闪电。
类地世界
2005年，当“卡西尼号”飞行器把欧洲空间局的“惠更斯号”探测器“投递”到泰坦表面时，科学家惊异地发现泰坦真的很像地球：它也有崎岖的山脉、宽广的平原、被侵蚀的海岸线和令我们熟悉的天气模式。这幅全景图是“卡西尼号”在泰坦上空大约10千米的飞行途中所拍摄图像的集纳。
水冰喷泉
这幅图中显示了恩克拉多斯表面的至少30处水冰喷泉。在2005年发现令科学家无比惊诧的恩克拉多斯喷泉之后，“卡西尼号”穿越了这些喷泉所喷出的烟柱，发现其中充满了对生命友好的分子。恩克拉多斯南极地面下存在的炽热盐水中充溢着有机化合物，如此激动人心的发现在太阳系中此前还从未有过。换句话说，恩克拉多斯的南极是一个可居住地带。而可喜的是，探测那里是否真的有生命是我们的探测器在不远的将来就可以做到的事。进一步的观测将查明这些喷泉的喷发频率和是什么原因造成了它们。未来的飞行器也许能够从这些喷泉的烟柱中采集水冰样本，查明样本中是否包含生物化合物甚至生命。图中还可见土卫一（弥玛斯），直径不到400千米的它是太阳系中最小的球形天体，此外，它还因表面的一个巨大陨击坑而被称作是“死亡之星的卫星”。
多山卫星
土星的第三大卫星是直径超过1440千米的土卫八（伊阿佩托斯）。在这幅图的主图部分，可见其赤道上的一条独特山脊（左图中可见其细节），它的高度超过9600米，比珠穆朗玛峰还高。科学家推测，它是伊阿佩托斯自转得还很快的时期的残留物，当时它是糊状的，温度还挺高。尽管依然在迅速地自转，伊阿佩托斯随后却冷却下来，冻结形成了赤道上的凸起。“卡西尼号”还解决了一个长久的奥秘——为什么伊阿佩托斯的后半球比前半球明亮9倍？答案是：前半球得到了由太阳加热的暗色残骸，而明亮的冰凝结在了更寒冷的后半球（请参见相关链接《是什么造就了“阴阳卫星”？》）。
是什么造就了“阴阳卫星”？
30多年前，“旅行者号”飞行器对伊阿佩托斯的造访证实了这颗土卫的“阴阳性”：它的一个半球（所谓前半球）黑如煤，另一个半球（所谓后半球）白如雪。此后，科学家一直纳闷：这是外部材料轰击这颗土卫的结果，还是伊阿佩托斯内部活动所导致？运用“卡西尼号”对土星系统的探索成果，尤其是2007年9月它近距离飞过伊阿佩托斯时的探测数据，科学家终于发现这颗土卫的暗面被来自另一颗土卫——菲比（它在比伊阿佩托斯更远的地方与伊阿佩托斯反向而行）的尘埃残骸轰炸。这是一个由来已久的理论，但这次“卡西尼号”发现一个巨大的残骸环（是土星主环系统面积的大约10000倍）在菲比附近环绕土星。科学家说，这是尘埃轰击伊阿佩托斯及土星周围其他土卫的铁证。
科学家还说，这道环是由脱离自菲比及其相伴土卫的碰撞残骸组成的。点缀于伊阿佩托斯暗面的小型白色陨击坑表明，一层仅几米深的暗色尘埃覆盖着与这颗土卫其余部分匹配的白色冰质表面。“卡西尼号”的成像数据还揭示，伊阿佩托斯前半球表面的一切材料都比明亮的后半球表面材料偏红得多，这也表明前半球的尘埃来自别处。
土星碎屑
除了那些大卫星之外，土星还有数十颗被波尔克等科学家称为“碎屑”的小型、不规则而非常多样的卫星相伴，其中包括土豆形状的土卫十六和它遍布陨击坑的邻居土卫十（雅努斯）。土卫十三（忒勒斯托）的光滑冰质表面使它在大多数土卫中独树一帜，因为大多数土卫都伤痕累累。土卫十二（海伦）的表面看来遭到了环绕土星的许多微粒的轰炸。忒勒斯托和海伦都被称为“特洛伊卫星”，它们与较大的同伴共享轨道。海绵性的土卫七（海波龙）的密度很低，这暗示它有一半都是空的。土卫九（菲比）是不规则土卫中最大的一颗，它在一个不规则轨道上反向环绕土星运动。
阴影结构
图中，太阳光几乎完全沿着土星环的平面照射，因而让那些凸出环平面的高达约2400米的微妙结构投下长长的阴影。科学家从未想到过会看见如此奇异的景象。事实上，也只能在太阳位置较高时才能看见这些结构。天文学家相信，土星环之间可能隐藏着直径至少达800米的微型卫星和更小的卫星，而土星环的厚度只有大约30米。图中可见的那些较高的垂直结构，有可能是在环中细微颗粒与这些微型卫星相撞时“溅起”的环材料，就像海水在海岸边可以溅起并越过岩石一样。
北极气旋
图中，一个直径超过1600千米、中间点缀着小风暴云团的巨型气旋在土星北极上空旋转。这个大气旋位于土星的强力射流（喷射气流）中央，这股射流标志着一个奇异的八角形天气系统，它大得足以吞没四个地球。“卡西尼号”是在2012年11月27日传回这一令科学家陶醉的图像的。
风暴土星
图中顶部的火球实际上是一场风暴。在这幅伪色图像的拍摄日——2011年1月11日，这个火球已经在土星大气层中移动了好几个月。“卡西尼号”在一小时内就拍摄了12幅图像，其中每一幅以不同滤光揭示土星大气层中不同层的不同程度的甲烷吸收。下层大气深处的云团显示为红色和橘色，次高云团为黄色绿白色，最高云团为蓝色和白色。亮蓝色是完全位于土星大气层外的土星环。
土星日食
图中，“卡西尼号”视野中的日食以一种前所未有的方式显示了土星。随着土星盘面遮挡太阳，土星环的惊人细节得以显现。这幅图像还揭示了一些暗弱的、此前未知的土星环。但这幅图的最令人着迷之处，是位于G环后面的淡蓝色斑点——这个相隔遥远距离、几乎看不见的光斑就是我们的地球。
土星环系统 令人目眩的土星环系统由数不清的小冻结块组成，这些冻结块的主要成分是冰（请参见相关链接《土星环是怎样形成的？》）。土星环系统包含7个被正式命名的环，根据它们的发现顺序而按照字母排列顺序命名（A～F）。这些环又被主要按照与土卫的引力交互作用来划分为数百个更细微结构。从比较靠内的D环（图中不可见）到较靠外的F环，环跨度约为74000千米。
来自阴影
“卡西尼号”是在距离土星表面约80万千米处、在土星的阴影中抓拍到这幅照片的。在这幅经过色彩强化的照片中，位于土星背后的太阳照亮了土星及其环系统。因为地球夹在土星和太阳之间，如果没有在轨飞行器的帮助，我们永远都不可能看见如此景观。这张堪称绝版的照片是“卡西尼号”在2012年10月17日拍摄到的，它上一次拍摄到类似图像是在2006年9月。请仔细看图中左下角隐藏的两颗土卫——它们是正好位于土星环下方的恩克拉多斯和正好位于恩克拉多斯下方的特提斯（土卫三）。
卫星与环
在这幅合成图像中，土星环内可见四颗土卫。泰坦悬挂在此图的背景中。直径达5150千米的泰坦使得其他所有可见的土卫都微不足道。泰坦之所以看起来雾蒙蒙的，是因为它拥有富含氮的大气层。第二小的土卫——土卫四（狄俄涅）位于图中央，其表面的细缕实际上是冰的悬崖。另一颗小小的土卫——潘多拉位于图中靠右边，它刚好在环外环绕土星。还有一颗土卫——潘几乎已看不见，它位于图中左侧环系统中的一个缝隙内。
土星环是怎样形成的
土星环可能非常古老，其年代可追溯到土星形成时期。土星内环的成因有两种主要理论。第一种理论是由法国天文学家罗切在19世纪提出的，它认为土星环原本是一颗土卫——维利塔斯的一部分，维利塔斯的轨道不断衰减，直到它足够靠近土星，最终被土星的潮汐力撕裂而成为土星环材料。这种理论的一种变异理论认为，维利塔斯因为被一颗大型小行星或彗星撞击而碎裂。第二种理论则认为，土星环并非源自土卫，而是形成土星的星云材料的残留物。
土卫破坏论的一个更传统的版本是，土星环来自一颗直径400～600米的土卫残骸（比土卫一弥玛斯稍大）。时间被认为是大约40亿年前的“重型轰炸”时期。这一理论的最近一个变种理论指出，土星环可能是一颗泰坦大小、经过分化的土卫的冰地壳的残留物，这颗土卫在土星形成时期（当时土星仍被气态星云环绕）因过于靠近土星而被剥离掉自己的外层。这能解释为什么土星环内部缺乏岩石材料。最初土星环的质量可能是现在的大约1000倍，环的宽度也比现在宽得多，环外层材料可能聚合成了从土星开始直到特提斯那么远范围内的土卫，由此能解释为什么这些土卫中的大多数组分中缺乏岩石材料。后续的碰撞或恩克拉多斯的冰火山可能导致了这些土卫的冰的选择性流失，从而把恩克拉多斯的密度提升到现在的每立方厘米1.61克，而弥玛斯和特提斯的密度分别只有每立方厘米1.15克和0.97克。
土星环早期的大质量假设后来也被延伸来解释从土星直到瑞亚范围内的土卫的形成。如果最初的土星环中包含直径大于100千米的岩石材料和冰，这些硅酸盐天体就可能聚合更多的冰，并且被排斥出土星环（这是因为与土星环之间的引力交互以及与土星之间的潮汐力交互），从而进入越来越宽的轨道。在洛希极限（卫星运行轨道与主星之间的理论临界距离）以内，岩石天体的密度足以聚合更多材料，而密度较低的冰质天体却不能。一旦到了土星环之外，新形成的土卫就可能通过随机合并而继续演化，这一过程或许能解释从土星直到瑞亚范围内的土卫的硅酸盐含量差异，以及越靠近土星硅酸盐含量越低的趋势。因此，瑞亚有可能是从原始土星环中形成的最古老的土卫，而越靠近土星的土卫形成得越晚。
土星环中水冰的亮度和纯度，被认为是土星环比土星年轻得多（土星环的年龄只有1亿年）的证据，理由是陨落的尘埃会导致土星环变暗。然而，新研究表明B环质量够大，足以稀释陨落的材料，由此避免土星环随着时间推移而变暗。随着土星环内部形成团块，团块随后又被撞碎，环材料就可能循环、更新。这能解释为什么土星环内部的一些材料看来很年轻。“卡西尼号”团队运用恒星掩星现象，发现了土星F环内的13个直径从27米到1000米的天体，它们几乎都是透明的，这暗示它们是几米宽的冰块临时性的聚合物。科学家相信，这就是土星环的基本结构——质点聚合，然后又炸开。
风暴警告
这四幅图像追踪的是“卡西尼号”所观察到的土星上最大最强的风暴。下面两幅图的拍摄间隔是11小时，也就是土星上一天的长度。它们每一幅都是合成图像，都合并了“卡西尼号”在2011年2月26日拍摄的84幅不同的图像。上面两幅图——左边的风暴头和中间的风暴段是下方图的放大，放大部分由白色线条标注出来。风暴头的移动速度为每小时106千米。这场风暴覆盖的面积差不多等于地球表面积的8倍，它环绕了整个土星的周长——299270千米。风暴云可能是由结晶氨覆盖的水构成的，在一般的非风暴云上空约100千米高度移动。图中的伪色代表不同云层的高度——蓝色最高，红色最低。土星大气层最下层中发生了闪电。
三颗土卫
这幅图像是由“卡西尼号”2011年12月7日在距离土星210万千米处拍摄的，图中的土星使得其三颗在图中可见的卫星相形见拙。图中最大的土卫是特提斯，其直径为1060千米，它位于图中右侧的土星环下方。位于图中左侧土星环下方的是恩克拉多斯，其直径仅为503千米。第三颗土卫——潘多拉在这幅图中几乎看不见，直径仅为80千米的它位于图左边缘的土星环上方。为了让你看见它，图中把它的颜色相对于图的其余部分进行了强化。
瑞亚和泰坦
此图中，“卡西尼号”聚焦的是土星的两颗卫星——瑞亚（土卫五）和泰坦。图中前方，瑞亚的冰质表面上的陨击坑清晰可见。这颗土卫由25%的岩石和75%的水冰构成。意大利天文学家卡西尼（“卡西尼号”飞行器的名称由来）在1672年首先发现了瑞亚，并用希腊神话中的众神之母命名了它。图中后方的泰坦被看似平滑的大气层包裹。尽管两者看起来距离很近，实际上“卡西尼号”当时距离瑞亚130万千米，距离泰坦190万千米。这幅图像的拍摄时间是2011年12月10日。迄今为止已经发现的土卫有62颗，其中53颗已被命名。
卡西尼环缝
土星有七道由字母A到G命名的主要环。这些主环之间是环缝，土卫及其他残骸在这里环绕土星运动。此图中，“卡西尼号”透过A环和B环之间的环缝，看见了被称为“卡西尼环缝”的大缝隙内部的小缝和小圈。这幅图像是由“卡西尼号”2010年9月3日在距离土星44.4万千米处拍摄的。
被环破坏
在这幅拍摄于2011年12月7日的图像中，土星环破坏了“卡西尼号”眼中的土卫特提斯（右）和泰坦（左）。特提斯也是由卡西尼率先发现的，发现时间是1864年。特提斯是土卫中第二明亮的，其亮度仅次于恩克拉多斯。作为迄今为止所发现的最大土卫，泰坦的直径比月球还大50%。事实上，整个太阳系中只有一颗卫星——木卫三（加尼米德）大于泰坦。
原始之美
“卡西尼号”在2011年1月31日拍摄的这幅恩克拉多斯图像，显示了这颗第六大土卫表面的一座冰火山的喷发场景。这种冰火山喷出的是水和冰，它们要么被吸进土星环，要么坠回恩克拉多斯表面。恩克拉多斯表面的水，使得这颗土卫成为最有希望找到外星生命的地方之一。
喷射气流
这幅由三幅图像合成的伪色图像显示了土星不同云层的高度。“卡西尼号”2008年1月13日在距离土星130万千米处的一个有利位置拍摄到了这些场景。图中右上侧箭头指向的是翻滚在土星北半球大气层中的一股特别强劲的射流（喷射气流）。这股看上去为一条橘色细线的射流，在土星表面沿着一条特定的纬线向西运动。
泰坦雾霭
这幅图像显示的是泰坦的南极。下方的特写图强调了泰坦的独特、厚密大气层的色彩分层。这幅广角照（拍摄于几秒钟后）显示了泰坦的雾霭背景。相机上的滤光镜被用来凸显泰坦雾霭的自然色彩。天文学家把这些色彩差异归因于大小不同的微粒。蓝色雾霭出现在泰坦大气层的高层，那里的微粒可能较小。橘色雾霭很可能是泰坦的主要大气层中较大微粒所为。
透过“卡西尼号”的视野，波尔克仿佛在凝望土星的环系统，那里的数万亿次甚至更多次微粒推撞产生了环中怪异的裂缝、轮辐和不断迁移的连环堆积。她目睹了爆发于土星淡黄色大气层中的一场直径宽达29万千米的巨型风暴，它环绕土星并不断爆裂出蓝色闪电。当“卡西尼号”发现比水星还大的土卫六（泰坦）两极点缀着由液态甲烷和乙烷组成的湖泊时，波尔克也在场。
“卡西尼号”任务带来的最大惊奇或许是，波尔克看见了从土卫二（恩克拉多斯，与美国科罗拉多州面积相仿）喷发的、含有有机化合物的明亮水冰射流。恩克拉多斯曾被不屑一顾，因为它被认为是一颗枯燥、惰性、由冰和岩石组成的球体而已。但事实上，恩克拉多斯上面的水冰喷泉是太阳系中最令人讶异的景象——因为恩克拉多斯没有大气，所以其水冰喷泉可喷射到太空无限远处。
也许是一种时间巧合，波尔克大学毕业后的第一份工作是参加“旅行者2号”飞行器任务的科学团队。当时是20世纪80年代，“旅行者2号”正经过木星和土星飞往天王星和海王星。当“旅行者2号”完成其行星之旅后，美国宇航局开始为土星跟进任务做准备。1990年，波尔克被任命为“卡西尼号”飞行器的成像团队负责人。“卡西尼号”飞行器是根据意大利-法国天文学家乔万尼·卡西尼的名字所命名的，正是此人发现了土卫中的四颗和土星环中的一条裂缝（现在它被称为“卡西尼环缝”）。此后，波尔克一直在“卡西尼号”任务组工作。
如果说两艘“旅行者”（还有一艘是“旅行者1号”）进行的是探索太阳系未知地带、最终飞出太阳系的史诗般之旅，那么“卡西尼号”任务则是一种相对永久性的逗留。“卡西尼号”的使命是在飞过土星系统各成员的过程中尽量拍摄它们的图像，其中探索时间最长的对象就是土星本身——“卡西尼号”将环绕土星许多年，目的是弄清它究竟是一颗什么样的天体（请参见相关链接《土星》）。“卡西尼号”飞行器是如此成功，它始于2004年的任务期原定为4年，至2008年结束，但至今已延期两次，任务期将持续到至少2017年。
通过她介绍给读者的这些土星系统的漂亮图片，波尔克希望读者能对土星、土星环和土卫们有一个直观的了解。
土星
土星是太阳系中排在木星之后的第二大行星和距离太阳第六近的行星，也是一颗气态巨行星，其平均半径大约是地球的9倍。土星密度只有地球的1/8，质量超过地球的95倍。土星很可能有一个由铁、镍和岩石（硅和氧化合物）组成的内核，内核之外是由液态氢和液态氦组成的中间层（过渡层），中间层之上则是气体外层。土星显示出的淡黄色，是由于上层大气中存在的氨晶。金属氢（指氢的行为像导电体的状态）层内部的电流被认为是土星磁场的根源，土星磁场比地球磁场稍弱，强度只有木星磁场的大约1/20。土星的外层大气相当平淡，缺乏色彩反差。土星上的最大风速可达每小时1800千米，比木星上的风速还快，但不如海王星上的风速快。
土星四季
橘红色的泰坦位于土星前方，土星环在此图中则像一条斜线。这幅图像拍摄于2012年5月，其中包含着一个惊奇：与“卡西尼号”2004年拍摄的首批土星图像相比，土星南半球现在微带蓝色，北半球则失去了蓝色。波尔克意识到自己正目睹土星微妙的季节变化——土星上的1年相当于地球上的29.4年。来自太阳的超紫外辐射在土星大气层中“踢”起雾霭。到了冬天，当太阳位于一个低角度时，雾霭消褪，于是大气层变得明亮起来，蓝色得以显现。如果你能飘浮在土星的冬季云中，你抬头便可看见一道环弧令人难以置信地悬挂在像地球一样的蓝色天空中。
泰坦烟雾
此图中，泰坦位于土星的亮环以及被撞得遍体鳞伤的小小土卫十一（厄庇墨透斯）后面。泰坦是土星最大的卫星，它让天文学家迷惑了300多年。当“旅行者1号”1980年经过它时，科学家失望地只看到一颗被烟雾笼罩的毫无特色的球体。直到“卡西尼号”探测泰坦之后，科学家才知道被厚密大气层包裹着的泰坦是一颗多么精彩的天体。对于泰坦的全新认识，标志着人类对太阳系的认识乃至对宇宙的认识的又一个里程碑。
泰坦湖泊
通过雷达、红外以及视觉成像，“卡西尼号”揭示了泰坦表面的一连串甲烷和乙烷湖泊，这使得泰坦成为除地球而外，太阳系中乃至太阳系外已知其表面存在液体的唯一的世界。这幅雷达图像经过伪色（添加色彩）来强化泰坦表面的崎岖平原（褐色）及顺滑湖泊（蓝色），这些湖泊中看来充满了季节性的碳氢化合物“降雨”。有科学家推测，泰坦湖泊中或许存在地球人匪夷所思的外星原始生命（请参见相关链接《泰坦表面下也有生命？》）。
泰坦表面下也有生命？
根据实验室模拟结果，一些科学家猜测，泰坦上存在足够的有机材料，能够开始与地球生命奠基相似的化学演化过程。当然，这需要满足一个假定条件——液态水在泰坦上的存在时间比目前观察到的更长。多种理论暗示，由天体碰撞带来的液态水可能保存于泰坦的表壳下面。还有科学家推测，泰坦表面下很深处可能存在液态氨海洋。一种模型暗示，在泰坦表壳以下的200千米深处存在氨-水混合物海洋，那里可能也存在生命（而不仅仅是在泰坦表面可能存在生命）。对于维持泰坦可能存在的地下海洋生命来说，泰坦内部与上层之间的热传递非常重要。
但也有科学家指出，泰坦生命面临重重难以逾越的障碍（言下之意是泰坦生命存在的可能性为零），把泰坦与地球进行类比是不恰当的。由于十分远离太阳，泰坦异常寒冷，而且它的大气层缺乏光合作用所需的二氧化碳。在泰坦表面，水只能以固态存在。由于这些困难，泰坦存在类似地球生命的生命（哪怕是微生物）的可能性不大。不过，就算泰坦上不存在生命，也存在生命即将起源以前的环境，了解这样的环境有助于了解地球生物圈的早期历史。 北极风暴
2010年晚些时候，一场风暴肆虐土星北半球并增大到巨型规模，几乎包裹了整个土星，8个月之后才消散。这一系列图像所显示的风暴发展过程，证明了在轨环绕探测一颗行星的科学价值。这场风暴与地球风暴有一些奇异的相似之处：它很可能也降下了充沛的液态水。此外，“卡西尼号”搭载的相机还拍摄到了土星大气层中的一系列闪电。
类地世界
2005年，当“卡西尼号”飞行器把欧洲空间局的“惠更斯号”探测器“投递”到泰坦表面时，科学家惊异地发现泰坦真的很像地球：它也有崎岖的山脉、宽广的平原、被侵蚀的海岸线和令我们熟悉的天气模式。这幅全景图是“卡西尼号”在泰坦上空大约10千米的飞行途中所拍摄图像的集纳。
水冰喷泉
这幅图中显示了恩克拉多斯表面的至少30处水冰喷泉。在2005年发现令科学家无比惊诧的恩克拉多斯喷泉之后，“卡西尼号”穿越了这些喷泉所喷出的烟柱，发现其中充满了对生命友好的分子。恩克拉多斯南极地面下存在的炽热盐水中充溢着有机化合物，如此激动人心的发现在太阳系中此前还从未有过。换句话说，恩克拉多斯的南极是一个可居住地带。而可喜的是，探测那里是否真的有生命是我们的探测器在不远的将来就可以做到的事。进一步的观测将查明这些喷泉的喷发频率和是什么原因造成了它们。未来的飞行器也许能够从这些喷泉的烟柱中采集水冰样本，查明样本中是否包含生物化合物甚至生命。图中还可见土卫一（弥玛斯），直径不到400千米的它是太阳系中最小的球形天体，此外，它还因表面的一个巨大陨击坑而被称作是“死亡之星的卫星”。
多山卫星
土星的第三大卫星是直径超过1440千米的土卫八（伊阿佩托斯）。在这幅图的主图部分，可见其赤道上的一条独特山脊（左图中可见其细节），它的高度超过9600米，比珠穆朗玛峰还高。科学家推测，它是伊阿佩托斯自转得还很快的时期的残留物，当时它是糊状的，温度还挺高。尽管依然在迅速地自转，伊阿佩托斯随后却冷却下来，冻结形成了赤道上的凸起。“卡西尼号”还解决了一个长久的奥秘——为什么伊阿佩托斯的后半球比前半球明亮9倍？答案是：前半球得到了由太阳加热的暗色残骸，而明亮的冰凝结在了更寒冷的后半球（请参见相关链接《是什么造就了“阴阳卫星”？》）。
是什么造就了“阴阳卫星”？
30多年前，“旅行者号”飞行器对伊阿佩托斯的造访证实了这颗土卫的“阴阳性”：它的一个半球（所谓前半球）黑如煤，另一个半球（所谓后半球）白如雪。此后，科学家一直纳闷：这是外部材料轰击这颗土卫的结果，还是伊阿佩托斯内部活动所导致？运用“卡西尼号”对土星系统的探索成果，尤其是2007年9月它近距离飞过伊阿佩托斯时的探测数据，科学家终于发现这颗土卫的暗面被来自另一颗土卫——菲比（它在比伊阿佩托斯更远的地方与伊阿佩托斯反向而行）的尘埃残骸轰炸。这是一个由来已久的理论，但这次“卡西尼号”发现一个巨大的残骸环（是土星主环系统面积的大约10000倍）在菲比附近环绕土星。科学家说，这是尘埃轰击伊阿佩托斯及土星周围其他土卫的铁证。
科学家还说，这道环是由脱离自菲比及其相伴土卫的碰撞残骸组成的。点缀于伊阿佩托斯暗面的小型白色陨击坑表明，一层仅几米深的暗色尘埃覆盖着与这颗土卫其余部分匹配的白色冰质表面。“卡西尼号”的成像数据还揭示，伊阿佩托斯前半球表面的一切材料都比明亮的后半球表面材料偏红得多，这也表明前半球的尘埃来自别处。
土星碎屑
除了那些大卫星之外，土星还有数十颗被波尔克等科学家称为“碎屑”的小型、不规则而非常多样的卫星相伴，其中包括土豆形状的土卫十六和它遍布陨击坑的邻居土卫十（雅努斯）。土卫十三（忒勒斯托）的光滑冰质表面使它在大多数土卫中独树一帜，因为大多数土卫都伤痕累累。土卫十二（海伦）的表面看来遭到了环绕土星的许多微粒的轰炸。忒勒斯托和海伦都被称为“特洛伊卫星”，它们与较大的同伴共享轨道。海绵性的土卫七（海波龙）的密度很低，这暗示它有一半都是空的。土卫九（菲比）是不规则土卫中最大的一颗，它在一个不规则轨道上反向环绕土星运动。
阴影结构
图中，太阳光几乎完全沿着土星环的平面照射，因而让那些凸出环平面的高达约2400米的微妙结构投下长长的阴影。科学家从未想到过会看见如此奇异的景象。事实上，也只能在太阳位置较高时才能看见这些结构。天文学家相信，土星环之间可能隐藏着直径至少达800米的微型卫星和更小的卫星，而土星环的厚度只有大约30米。图中可见的那些较高的垂直结构，有可能是在环中细微颗粒与这些微型卫星相撞时“溅起”的环材料，就像海水在海岸边可以溅起并越过岩石一样。
北极气旋
图中，一个直径超过1600千米、中间点缀着小风暴云团的巨型气旋在土星北极上空旋转。这个大气旋位于土星的强力射流（喷射气流）中央，这股射流标志着一个奇异的八角形天气系统，它大得足以吞没四个地球。“卡西尼号”是在2012年11月27日传回这一令科学家陶醉的图像的。
风暴土星
图中顶部的火球实际上是一场风暴。在这幅伪色图像的拍摄日——2011年1月11日，这个火球已经在土星大气层中移动了好几个月。“卡西尼号”在一小时内就拍摄了12幅图像，其中每一幅以不同滤光揭示土星大气层中不同层的不同程度的甲烷吸收。下层大气深处的云团显示为红色和橘色，次高云团为黄色绿白色，最高云团为蓝色和白色。亮蓝色是完全位于土星大气层外的土星环。
土星日食
图中，“卡西尼号”视野中的日食以一种前所未有的方式显示了土星。随着土星盘面遮挡太阳，土星环的惊人细节得以显现。这幅图像还揭示了一些暗弱的、此前未知的土星环。但这幅图的最令人着迷之处，是位于G环后面的淡蓝色斑点——这个相隔遥远距离、几乎看不见的光斑就是我们的地球。
土星环系统 令人目眩的土星环系统由数不清的小冻结块组成，这些冻结块的主要成分是冰（请参见相关链接《土星环是怎样形成的？》）。土星环系统包含7个被正式命名的环，根据它们的发现顺序而按照字母排列顺序命名（A～F）。这些环又被主要按照与土卫的引力交互作用来划分为数百个更细微结构。从比较靠内的D环（图中不可见）到较靠外的F环，环跨度约为74000千米。
来自阴影
“卡西尼号”是在距离土星表面约80万千米处、在土星的阴影中抓拍到这幅照片的。在这幅经过色彩强化的照片中，位于土星背后的太阳照亮了土星及其环系统。因为地球夹在土星和太阳之间，如果没有在轨飞行器的帮助，我们永远都不可能看见如此景观。这张堪称绝版的照片是“卡西尼号”在2012年10月17日拍摄到的，它上一次拍摄到类似图像是在2006年9月。请仔细看图中左下角隐藏的两颗土卫——它们是正好位于土星环下方的恩克拉多斯和正好位于恩克拉多斯下方的特提斯（土卫三）。
卫星与环
在这幅合成图像中，土星环内可见四颗土卫。泰坦悬挂在此图的背景中。直径达5150千米的泰坦使得其他所有可见的土卫都微不足道。泰坦之所以看起来雾蒙蒙的，是因为它拥有富含氮的大气层。第二小的土卫——土卫四（狄俄涅）位于图中央，其表面的细缕实际上是冰的悬崖。另一颗小小的土卫——潘多拉位于图中靠右边，它刚好在环外环绕土星。还有一颗土卫——潘几乎已看不见，它位于图中左侧环系统中的一个缝隙内。
土星环是怎样形成的
土星环可能非常古老，其年代可追溯到土星形成时期。土星内环的成因有两种主要理论。第一种理论是由法国天文学家罗切在19世纪提出的，它认为土星环原本是一颗土卫——维利塔斯的一部分，维利塔斯的轨道不断衰减，直到它足够靠近土星，最终被土星的潮汐力撕裂而成为土星环材料。这种理论的一种变异理论认为，维利塔斯因为被一颗大型小行星或彗星撞击而碎裂。第二种理论则认为，土星环并非源自土卫，而是形成土星的星云材料的残留物。
土卫破坏论的一个更传统的版本是，土星环来自一颗直径400～600米的土卫残骸（比土卫一弥玛斯稍大）。时间被认为是大约40亿年前的“重型轰炸”时期。这一理论的最近一个变种理论指出，土星环可能是一颗泰坦大小、经过分化的土卫的冰地壳的残留物，这颗土卫在土星形成时期（当时土星仍被气态星云环绕）因过于靠近土星而被剥离掉自己的外层。这能解释为什么土星环内部缺乏岩石材料。最初土星环的质量可能是现在的大约1000倍，环的宽度也比现在宽得多，环外层材料可能聚合成了从土星开始直到特提斯那么远范围内的土卫，由此能解释为什么这些土卫中的大多数组分中缺乏岩石材料。后续的碰撞或恩克拉多斯的冰火山可能导致了这些土卫的冰的选择性流失，从而把恩克拉多斯的密度提升到现在的每立方厘米1.61克，而弥玛斯和特提斯的密度分别只有每立方厘米1.15克和0.97克。
土星环早期的大质量假设后来也被延伸来解释从土星直到瑞亚范围内的土卫的形成。如果最初的土星环中包含直径大于100千米的岩石材料和冰，这些硅酸盐天体就可能聚合更多的冰，并且被排斥出土星环（这是因为与土星环之间的引力交互以及与土星之间的潮汐力交互），从而进入越来越宽的轨道。在洛希极限（卫星运行轨道与主星之间的理论临界距离）以内，岩石天体的密度足以聚合更多材料，而密度较低的冰质天体却不能。一旦到了土星环之外，新形成的土卫就可能通过随机合并而继续演化，这一过程或许能解释从土星直到瑞亚范围内的土卫的硅酸盐含量差异，以及越靠近土星硅酸盐含量越低的趋势。因此，瑞亚有可能是从原始土星环中形成的最古老的土卫，而越靠近土星的土卫形成得越晚。
土星环中水冰的亮度和纯度，被认为是土星环比土星年轻得多（土星环的年龄只有1亿年）的证据，理由是陨落的尘埃会导致土星环变暗。然而，新研究表明B环质量够大，足以稀释陨落的材料，由此避免土星环随着时间推移而变暗。随着土星环内部形成团块，团块随后又被撞碎，环材料就可能循环、更新。这能解释为什么土星环内部的一些材料看来很年轻。“卡西尼号”团队运用恒星掩星现象，发现了土星F环内的13个直径从27米到1000米的天体，它们几乎都是透明的，这暗示它们是几米宽的冰块临时性的聚合物。科学家相信，这就是土星环的基本结构——质点聚合，然后又炸开。
风暴警告
这四幅图像追踪的是“卡西尼号”所观察到的土星上最大最强的风暴。下面两幅图的拍摄间隔是11小时，也就是土星上一天的长度。它们每一幅都是合成图像，都合并了“卡西尼号”在2011年2月26日拍摄的84幅不同的图像。上面两幅图——左边的风暴头和中间的风暴段是下方图的放大，放大部分由白色线条标注出来。风暴头的移动速度为每小时106千米。这场风暴覆盖的面积差不多等于地球表面积的8倍，它环绕了整个土星的周长——299270千米。风暴云可能是由结晶氨覆盖的水构成的，在一般的非风暴云上空约100千米高度移动。图中的伪色代表不同云层的高度——蓝色最高，红色最低。土星大气层最下层中发生了闪电。
三颗土卫
这幅图像是由“卡西尼号”2011年12月7日在距离土星210万千米处拍摄的，图中的土星使得其三颗在图中可见的卫星相形见拙。图中最大的土卫是特提斯，其直径为1060千米，它位于图中右侧的土星环下方。位于图中左侧土星环下方的是恩克拉多斯，其直径仅为503千米。第三颗土卫——潘多拉在这幅图中几乎看不见，直径仅为80千米的它位于图左边缘的土星环上方。为了让你看见它，图中把它的颜色相对于图的其余部分进行了强化。
瑞亚和泰坦
此图中，“卡西尼号”聚焦的是土星的两颗卫星——瑞亚（土卫五）和泰坦。图中前方，瑞亚的冰质表面上的陨击坑清晰可见。这颗土卫由25%的岩石和75%的水冰构成。意大利天文学家卡西尼（“卡西尼号”飞行器的名称由来）在1672年首先发现了瑞亚，并用希腊神话中的众神之母命名了它。图中后方的泰坦被看似平滑的大气层包裹。尽管两者看起来距离很近，实际上“卡西尼号”当时距离瑞亚130万千米，距离泰坦190万千米。这幅图像的拍摄时间是2011年12月10日。迄今为止已经发现的土卫有62颗，其中53颗已被命名。
卡西尼环缝
土星有七道由字母A到G命名的主要环。这些主环之间是环缝，土卫及其他残骸在这里环绕土星运动。此图中，“卡西尼号”透过A环和B环之间的环缝，看见了被称为“卡西尼环缝”的大缝隙内部的小缝和小圈。这幅图像是由“卡西尼号”2010年9月3日在距离土星44.4万千米处拍摄的。
被环破坏
在这幅拍摄于2011年12月7日的图像中，土星环破坏了“卡西尼号”眼中的土卫特提斯（右）和泰坦（左）。特提斯也是由卡西尼率先发现的，发现时间是1864年。特提斯是土卫中第二明亮的，其亮度仅次于恩克拉多斯。作为迄今为止所发现的最大土卫，泰坦的直径比月球还大50%。事实上，整个太阳系中只有一颗卫星——木卫三（加尼米德）大于泰坦。
原始之美
“卡西尼号”在2011年1月31日拍摄的这幅恩克拉多斯图像，显示了这颗第六大土卫表面的一座冰火山的喷发场景。这种冰火山喷出的是水和冰，它们要么被吸进土星环，要么坠回恩克拉多斯表面。恩克拉多斯表面的水，使得这颗土卫成为最有希望找到外星生命的地方之一。
喷射气流
这幅由三幅图像合成的伪色图像显示了土星不同云层的高度。“卡西尼号”2008年1月13日在距离土星130万千米处的一个有利位置拍摄到了这些场景。图中右上侧箭头指向的是翻滚在土星北半球大气层中的一股特别强劲的射流（喷射气流）。这股看上去为一条橘色细线的射流，在土星表面沿着一条特定的纬线向西运动。
泰坦雾霭
这幅图像显示的是泰坦的南极。下方的特写图强调了泰坦的独特、厚密大气层的色彩分层。这幅广角照（拍摄于几秒钟后）显示了泰坦的雾霭背景。相机上的滤光镜被用来凸显泰坦雾霭的自然色彩。天文学家把这些色彩差异归因于大小不同的微粒。蓝色雾霭出现在泰坦大气层的高层，那里的微粒可能较小。橘色雾霭很可能是泰坦的主要大气层中较大微粒所为。