Saturn
Wie alle bisher beschriebenen Planeten können wir Saturn am Nachthimmel ebenfalls mit bloßem Auge erspähen. Er ist allerdings der letzte in dieser Reihe, bei dem das noch möglich ist. So kannten auch unsere Altvorderen bis zur Erfindung des Fernrohrs nur diese fünf Planeten. Der Erste, der Saturn durch ein Teleskop begutachtete, war 1610 wieder einmal Galileo Galilei. Zu seiner Überraschung sah er rechts und links vom Planeten Objekte, die er als "Henkel" beschrieb. 1659 sagte der niederländische Astronom Christiaan Huygens voraus, dass diese "Henkel" ein den Planeten umkreisender Ring sei. Schließlich entdeckte der in Italien geborene Astronom Giovanni Cassini 1675 eine Lücke zwischen den von uns heute mit A und B bezeichneten Ringen.
Kein Wunder, dass die NASA ihre aktuelle Saturn- Mission Cassini- Huygens benannt hat, die seit Jahresmitte 2004 Saturn und den Mond Titan f untersucht.
Mit einem Äquatordurchmesser von 119 300 [km] und einer Masse von 5,688 x 1026 [kg] haben wir es jetzt mit dem zweitgrößten Planeten des Sonnensystems zu tun, den man aufgrund dieser Daten ebenfalls zu den Riesenplaneten zählt.
Am bekanntesten ist Saturn natürlich wegen seines ausgeprägten Ringsystems, welches im Sonnensystem seinesgleichen sucht. Dazu aber später mehr. Nicht nur von der Größe her können wir Saturn mit Jupiter vergleichen, auch dieser riesige Gasball strahlt 1,8- mal mehr an Wärme in den Weltraum ab als er von der Sonne empfängt. Weil der Planet diese Wärme wegen viel zu geringer Masse nicht durch Kernfusionen in seinem Innern erzeugen kann, muss die mögliche Ursache woanders liegen. Dazu mehr, wenn wir den Aufbau des Planeten besprechen.
Schon der bereits genannte Cassini entdeckte die Rotation des Saturn. Wie Jupiter auch, weist der große Gasball eine differentielle Rotation auf. Während er am Äquator für eine Umdrehung 10 Stunden 14 Minuten benötigt, steigt sie in mittleren Breiten bereits auf 10 Stunden und 40 Minuten an. Wie Jupiter kann auch Saturn auf ein ausgeprägtes Magnetfeld verweisen, von welchem Radiostrahlung ausgeht. Weil das Magnetfeld fest im Planeteninnern verankert ist, kann man aus periodischen Schwankungen der Strahlung auf die genaue Rotationsperiode schließen. Sie beträgt 10 Stunden, 39 Minuten und 25 Sekunden.
Mit freundlicher Genehmigung von E. Karkoschka (University of Arizona), HST, NASA
So kurz wie der Saturntag ist, so lang ist das Saturnjahr: Der Planet benötigt für eine Umrundung der Sonne 29,42 Jahre. Diesen Umlauf vollzieht er auf einer elliptischen Bahn, deren große Halbachse 1427 Millionen [km] misst und die eine numerische Exzentrizität von 0,0526 aufweist. Die mittlere Bahngeschwindigkeit beträgt dabei 9,67 [km/s], wobei die Bahn gegen die Ekliptik um 2,48° geneigt ist. Der Abstand zur Sonne schwankt zwischen 1352 Millionen [km] (Perihel) und 1502 Millionen [km] im Aphel. Der Erde kann sich Saturn bis auf 1193 Millionen [km] nähern, jedoch auch bis zu 1658 Millionen [km] von ihr distanzieren.
Werfen wir einen Blick auf die Saturnoberfläche, sehen wir deutliche Parallelen zu Jupiter. Was man schwachgelb bis leicht orange gefärbt sieht, sind die äußeren Wolkenschichten, auf welche schon die sehr hohe Albedo von 0,74 hinweist. Ähnlich seinem Bruderplaneten ist eine Gliederung in Gürtel und Zonen zu erkennen, die aber wesentlich verwaschener und nicht so ausgeprägt erscheint.
Mit freundlicher Genehmigung von NASA und Hubble Heritage Team
Im Prinzip ist Saturn ein "Leichtgewicht". Seine mittlere Dichte beträgt nur 0,70 [g/cm3], womit er leichter als Wasser ist. Würde man einen genügend großen See finden, könnte Saturn darin schwimmen!
Mit freundlicher Genehmigung der NASA und STScI
Bereits seit den Untersuchungen der Voyager- Raumsonden wissen wir, wie Saturns Atmosphäre chemisch beschaffen ist. Den Hauptanteil von 96,3% nimmt wie bei Jupiter Wasserstoff in Anspruch. 3,25% Helium ergänzen das Gasgemisch, in dem allerdings noch Ammoniak (125 ppm; ppm = "parts per million", Teile pro Million Teile) und Methan (4500 ppm) enthalten sind. In ganz geringen Spuren entstehen durch fotochemische Synthesen Verbindungen wie Ethan (7 ppm), Phosphin, Ammoniumhydrogensulfid oder Acetylen.
Mit freundlicher Genehmigung von NASA und Voyager 2
Da wir Saturn auch nur aus der Ferne beobachten können und einige Messungen durch Raumsonden weitere Daten lieferten, ist nur eine vorsichtige Abschätzung des inneren Aufbaus möglich. Aufgrund der sehr geringen Dichte macht Wasserstoff als leichtestes Element den Hauptanteil der Planetenmasse aus. Schneiden wir den Planeten nun einfach auf:
Copyright Calvin J. Hamilton, www.solarviews.com
In der äußeren Schale ist die Heliumhäufigkeit mit 3,25% deutlich geringer als in der Sonne. Im metallischen Wasserstoff ist das Helium nicht gänzlich gelöst, sondern ballt sich zu Tropfen zusammen, die unter dem Schwerkrafteinfluss langsam nach innen sinken. Wir erhalten somit im Außenbereich eine heliumverarmte Atmosphäre, während die Konzentration nach innen zunimmt. Zusätzlich wird bei diesem Vorgang potentielle Energie freigesetzt, die Saturn mehr Wärme abstrahlen lässt, als er von der Sonne aufnimmt. Unterstützt wird dieses Geschehen wahrscheinlich durch den so genannten Kelvin- Helmholtz- Mechanismus. Darunter versteht man eine langsam voranschreitende Kontraktion des Planeten, wobei Gravitationsenergie in Wärme umgewandelt wird (wie dies auch bei Jupiter der Fall ist).
Unterhalb des metallischen Wasserstoffs stoßen wir auf eine weitere Schale, die noch exotischer anmutet, denn sie besteht aus "Eis". Allerdings ist dieses unter extrem hohen Drucken und Temperaturen stehende Eis eher eine suppenähnliche Mischung aus Wasser, Ammoniak und Methan. Tief im Innern des Saturn befindet sich ein vielleicht 12 000 [K] heißer Kern aus Gestein oder einer Gesteins- Eis- Mischung.
Saturn weist ebenfalls, wie bereits erwähnt, ein Magnetfeld auf. Es erreicht allerdings nicht die Stärke desjenigen von Jupiter, an der Wolkenobergrenze misst man mit 2,1 x 10-5 Tesla in etwa die Stärke des Erdmagnetfeldes. Weil aber Saturn deutlich größer als die Erde ist, muss das magnetische Feld 550- mal kräftiger sein.
Mit freundlicher Genehmigung der NASA
Auf der sonnenabgewandten Seite ist die Magnetosphäre noch in über 50 Saturnradien nachweisbar, sie wird sicherlich aber bedeutend weiter als Schweif in die Länge gezogen. Wie bei Jupiter ist das Magnetfeld im Planeten fest verankert und muss damit zwangsweise der schnellen Rotation folgen. Die ganze Dynamik einer Magnetosphäre wird übrigens beschrieben durch ein spezielles Teilgebiet der Physik, der so genannten Magnetohydrodynamik, die auch bei Schwarzen Löchern eine gewichtige Rolle spielt. Seltsamerweise stimmt die Ausrichtung des Magnetfeldes fast mit der Rotationsachse des Saturn überein, was man von anderen Planeten her nicht kennt. Innerhalb der Magnetosphäre befinden sich verschiedene Strahlungsgürtel, in denen die Teilchendichte von Elektronen und Protonen deutlich erhöht ist. Sie werden insbesondere durch die Satelliten Mimas und Rhea sowie durch das Ringsystem beeinflusst. Der größte Saturnmond Titan, dessen Bahn überwiegend innerhalb der Magnetosphäre verläuft, erzeugt durch seine Atmosphäre einen Torus aus Wasserstoff- und Stickstoffionen. Ein Teil des Wasserstoffs stammt von Saturn selbst. Dieses Plasma hat eine Teilchendichte von 0,01 bis 0,5 Ionen pro [cm3] und ist auf eine Temperatur von 100 000 [K] erhitzt. Um den Saturn befindet sich ein äquatorialer magnetosphärischer Ring von 5 Saturnradien Stärke, der in einem Abstand zwischen 8 und 16 Radien liegt. In ihm fließen Ströme von 10 Millionen Ampere! Wie bei Jupiter auch, geht von der Magnetosphäre eine intensive Radioemission aus.
Mit freundlicher Genehmigung von STScI/NASA
Seit der Entdeckung des Ringsystems um Saturn 1610 durch Galilei rätselten Generationen von Astronomen, was dieses merkwürdige und imposante Gebilde zu bedeuten hat. Vor allem durch die beiden Voyager- Missionen wissen wir heute aber sehr genau, womit wir es hier zu tun haben.
So wie in dieser künstlerischen Darstellung gezeigt könnte es aussehen, bewegte man sich im Ringsystem.
So beeindruckend es auch erscheinen mag, ist seine Masse jedoch überraschend gering. Die Myriaden von Klein- und Kleinstkörpern, aus denen die Ringe bestehen, würden, auf einen Haufen getürmt, einen Körper von nur 100 [km] Durchmesser ergeben. So aber verteilen sich die Bruchstücke auf mehr als 250 000 [km] Durchmesser, wobei das Ringsystem nur etwa 1 [km] dick ist. Die Durchmesser der Partikel beginnen bei wenigen [µm] (1 [µm] = 1/1000 [mm]), viele messen nur Zentimeter bis hin zu einigen Metern. Vermutlich gibt es auch einige Körper mit einer Größe von Kilometern. Jedes einzelne Teilchen umkreist Saturn auf einer eigenen Bahn.
Mit freundlicher Genehmigung der NASA, W. K. Hartmann
Mit freundlicher Genehmigung von NASA und Jet Propulsion Laboratory
Durch die Beobachtungen der Raumsonden konnte man mehr als 1000 Ringstrukturen differenzieren, die manchmal nicht mehr als 10 [km] Ausdehnung haben. Die Dicke der Ringe kann sogar auf etwa 100 [m] heruntergehen. Begründet ist diese geringe vertikale Ausrichtung durch die Stöße der einzelnen Ringteilchen untereinander. Indem sie immer wieder miteinander zusammenstoßen, werden die Geschwindigkeitsunterschiede der einzelnen Teilchen mehr und mehr ausgeglichen, die Umlaufbahnen gleichen einander an. Je mehr Teilchen sich pro Raumeinheit befinden, umso stärker ist der Effekt.
Mit freundlicher Genehmigung von NASA/JPL
Der innerste Ring, D- Ring, reicht fast bis zur Wolkenoberfläche des Saturn herunter. Er ist derart schwach, dass man ihn von der Erde aus nicht sehen kann. Ihm folgt fast nahtlos der C- Ring, der ebenfalls lichtschwach ist, jedoch von der Erde aus sichtbar und in dem sich die Maxwell- Lücke befindet. Daran schließt sich der dichteste und gleichzeitig hellste B- Ring an. Er ist stark strukturiert und hat nur eine Dicke von etwa 100 [m]. Seine sehr scharfe Außenkante ist nicht exakt kreisförmig. Ihre Ausbildung ist abhängig vom Saturnmond Mimas, denn die Umlaufzeiten der Partikel im Ring stehen mit der Umlaufzeit des Mondes in einer Resonanz von 1:2. Weil die Ringpartikel schneller als Mimas laufen, werden sie durch ihn etwas abgebremst und daher näher an Saturn herangeführt, woraus die scharfe Kantenabgrenzung resultiert.
Hier eine kleine Grafik zur Verdeutlichung der Lage der einzelnen Ringstrukturen. In kleinen Ziffern der Abstand in Saturnradien:
An den B- Ring schließt sich die kleinere Huygens- Lücke an (nicht eingezeichnet) gefolgt von der Cassini- Teilung. Daran anschließend finden wir den zweithellsten A- Ring, der ebenfalls stark strukturiert ist. In ihm befindet sich die Encke- Teilung und die extrem schmale Keeler- Lücke. In der Encke- Teilung umläuft der Mond Pan, nahe dem scharfen Außenrand des A- Rings der Atlas, der mit den Ringteilchen in einer 6:7 Resonanz steht. Es folgt der schwache F- Ring. Weiter außen stoßen wir auf den noch schwächeren G- Ring, von dem man am wenigsten weiß. Das Ringsystem wird geschlossen vom äußeren E- Ring, der sich über 300 000 [km] erstreckt. Seine Außenkante ist nicht genau definiert, am inneren Rand hat er eine Stärke von rund 6000 [km], zum Außenrand dehnt sie sich bis auf über 40 000 [km] aus.
Durch das Spitzer- Teleskop der NASA würde im Oktober 2009 völlig überraschend ein weiterer Ring um den Saturn entdeckt, mit dem bis dahin niemand rechnete:
Phoebe ist sicherlich auch der Verursacher des Ringes. Durch viele Zusammenstöße mit Kometen oder anderen kleineren Körpern könnte Material im Laufe der Zeit abgesprengt und in den Raum geschleudert worden sein, so dass der Mond heute von dieser Staubscheibe umgeben ist. Durch die Entdeckung des Rings könnte nun auch ein weiteres Rätsel gelöst werden: Die dunkle Cassini- Region des Mondes Japetus (andere Schreibweise: Iapetus) könnte daher stammen, dass der Mond über viele Jahre Material aus dem Ring einfing und auf seiner Oberfläche ablagerte. Während ja Phoebe und "sein" Ring gleichsinnig rotieren, durchläuft Japetus die Staubscheibe entgegengesetzt. So könnte er die Staubteilchen eingesammelt haben wie eine Windschutzscheibe Insekten.
Mit freundlicher Genehmigung von NASA/JPL-Caltech
Abschließend die wichtigsten Planetendaten in tabellarischer Form:
Planetendaten Saturn | |
Planetenmasse | 5,688·1026 [kg] |
Mittl. Planetendurchmesser | 119 300 [km] |
Mittl. Dichte | 0,70 [g cm-3] |
Entweichgeschwindigkeit | 35,5 [km s-1] |
Rotationsperiode | 10h 14min Äquator 10 [h] 40 [min] Pole |
Umlaufzeit | 29,42 Jahre |
Bahngeschwindigkeit | 9,67 [km s-1] |
Neigung Saturnachse zur Ekliptik | 2° 48' |
Abstand zur Sonne | Perihel: 1352 Mio. [km] Aphel: 1502 Mio. [km] |
Exzentrizität | 0,0526 |
Oberflächentemperatur | -125 [°C] (Mittel) |
Atmosphärendruck | 1,4 [bar] |
Albedo | 0,74 |
Magnetfeldstärke | ca. 0,18 Tesla |
Weitere Informationen:
http://ringmaster.arc.nasa.gov/saturn/saturn.html
http://www.solarviews.com/germ/saturn.htm
http://www.wappswelt.de/tnp/nineplanets/saturn.html