Saturn (Planet)

Physikalische Merkmale

Saturn ist ein abgeflachter Sphäroid, was bedeutet, dass er an den Polen abgeflacht ist und um seinen Äquator herum anschwillt. Der äquatoriale Durchmesser des Planeten beträgt 120.536 km (74.898 mi), während der polare Durchmesser (die Entfernung vom Nordpol zum Südpol) 108.728 km (67.560 mi) beträgt; ein Unterschied von 9%. Saturn hat eine abgeflachte Form aufgrund seiner sehr schnellen Rotation, einmal alle 10,8 Stunden.

Saturn ist der einzige Planet im Sonnensystem, der weniger dicht als Wasser ist. Obwohl der Kern des Planeten sehr dicht ist, hat er eine gasförmige Atmosphäre, so dass die durchschnittliche spezifische Dichte des Planeten 0,69 g/cm3 beträgt. Das bedeutet, wenn Saturn in einem großen Wasserbecken platziert werden könnte, würde er schwimmen.

Atmosphäre

Der äußere Teil der Saturn-Atmosphäre besteht zu etwa 96% aus Wasserstoff, 3% Helium, 0,4% Methan und 0,01% Ammoniak. Es gibt auch sehr geringe Mengen an Acetylen, Ethan und Phosphin.

Die Wolken des Saturn zeigen ein gebändertes Muster, wie die Wolkenbänder auf dem Jupiter. Die Wolken des Saturn sind viel schwächer und die Bänder sind am Äquator breiter. Die unterste Wolkenschicht des Saturn besteht aus Wassereis und ist etwa 10 km (6 mi) dick. Die Temperatur ist hier mit 250 K (-10°F, -23°C) recht niedrig. Darüber sind sich die Wissenschaftler jedoch nicht einig. Die darüber liegende, etwa 77 km (48 mi) dicke Schicht besteht aus Ammoniumhydrogensulfid-Eis, und darüber befindet sich eine 80 km (50 mi) dicke Schicht aus Ammoniakeiswolken. Die höchste Schicht besteht aus Wasserstoff- und Heliumgasen, die sich zwischen 200 km (124 mi) und 270 km (168 mi) über den Gipfeln der Wasserwolken erstreckt. Es ist auch bekannt, dass sich Polarlichter im Saturn in der Mesosphäre bilden. Die Temperatur an den Wolkengipfeln des Saturn ist mit 98 K (-283 °F, -175 °C) extrem niedrig. Die Temperaturen in den inneren Schichten sind viel höher als in den äußeren Schichten, da im Inneren des Saturn Wärme produziert wird. Die Winde des Saturn gehören zu den schnellsten im Sonnensystem und erreichen 1.800 km/h (1.118 mph), zehnmal schneller als die Winde auf der Erde.

Stürme und Flecken

Es ist auch bekannt, dass die Atmosphäre des Saturn ovalförmige Wolken bildet, ähnlich den klareren Flecken, die man beim Jupiter sieht. Diese ovalen Flecken sind zyklonale Stürme, wie man sie auch auf der Erde sieht. 1990 fand das Hubble-Weltraumteleskop in der Nähe des Äquators des Saturn eine sehr große weiße Wolke. Stürme wie der von 1990 waren als große weiße Flecken bekannt. Diese einzigartigen Stürme existieren nur für kurze Zeit und treten nur etwa alle 30 Erdenjahre auf, zur Zeit der Sommersonnenwende in der nördlichen Hemisphäre. Große Weiße Flecken wurden auch in den Jahren 1876, 1903, 1933 und 1960 gefunden. Wenn sich dieser Zyklus fortsetzt, wird sich etwa 2020 ein weiterer Sturm bilden.

Das Raumschiff Voyager1 fand ein hexagonales Wolkenmuster in der Nähe des Saturn-Nordpols bei etwa 78°N. Die Cassini-Huygens-Sonde bestätigte dies später im Jahr 2006. Im Gegensatz zum Nordpol weist der Südpol kein hexagonales Wolkenmuster auf. Die Sonde entdeckte auch einen hurrikanartigen Sturm, der am Südpol eingeschlossen war und deutlich eine Augenwand zeigte. Bis zu dieser Entdeckung waren Augenwände nur auf der Erde zu sehen gewesen.

Inneres

Das Innere des Saturns ähnelt dem Inneren des Jupiters. Es hat in seinem Zentrum einen kleinen felsigen Kern von etwa der Größe der Erde. Er ist sehr heiß; seine Temperatur erreicht 15.000 K (26.540 °F (14.727 °C)). Der Saturn ist so heiß, dass er mehr Wärmeenergie in den Weltraum abgibt, als er von der Sonne empfängt. Über ihm befindet sich eine dickere Schicht metallischen Wasserstoffs, die etwa 30.000 km tief ist (18.641 mi). Über dieser Schicht befindet sich eine Region aus flüssigem Wasserstoff und Helium. Der Kern ist schwer, mit etwa 9 bis 22 mal mehr Masse als der Erdkern.

Magnetisches Feld

Saturn hat ein natürliches Magnetfeld, das schwächer ist als das des Jupiters. Wie das der Erde ist auch das Feld des Saturn ein magnetischer Dipol. Das Feld des Saturn ist insofern einzigartig, als es im Gegensatz zu jedem anderen bekannten Planeten vollkommen symmetrisch ist. Das bedeutet, dass das Feld genau mit der Achse des Planeten übereinstimmt. Der Saturn erzeugt Radiowellen, die jedoch zu schwach sind, um von der Erde aus entdeckt zu werden. Der Mond Titan umkreist den äußeren Teil des Saturnmagnetfelds und gibt aus den ionisierten Teilchen in der Titanatmosphäre Plasma an das Feld ab.

Zeichnung des Saturn von Robert Hooke aus dem Jahr 1666


Die nordpolare hexagonale Wolke, die zuerst von Voyager 1 und später von Cassini


Saturn im Vergleich zur Größe der Erde

Rotation und Umlaufbahn

Die durchschnittliche Entfernung des Saturn von der Sonne beträgt über 1.400.000.000.000 km (869.000.000 mi), etwa neunmal so groß wie die Entfernung von der Erde zur Sonne. Es dauert 10.759 Tage oder etwa 29,8 Jahre, bis Saturn die Sonne umkreist. Dies ist als Saturn-Umlaufzeit bekannt.

Voyager 1 hat die Rotation des Saturn gemessen: 10 Stunden 14 Minuten am Äquator, 10 Stunden 40 Minuten näher an den Polen und 10 Stunden 39 Minuten 24 Sekunden für das Innere des Planeten. Dies ist als seine Rotationsperiode bekannt.

Cassini hat die Rotation des Saturn mit 10 Stunden 45 Minuten 45 Sekunden ± 36 Sekunden gemessen. Das ist etwa sechs Minuten oder ein Prozent länger als die von den Raumsonden Voyager 1 und Voyager 2, die 1980 und 1981 am Saturn vorbeiflogen, gemessene Radio-Rotationsperiode.

Die Rotationsperiode des Saturn wird durch die Rotationsgeschwindigkeit der vom Planeten freigesetzten Radiowellen berechnet. Die Cassini-Huygens-Sonde entdeckte, dass sich die Radiowellen verlangsamten, was darauf hindeutet, dass die Rotationsperiode zunahm. Da die Wissenschaftler nicht glauben, dass sich die Rotation des Saturn tatsächlich verlangsamt, könnte die Erklärung in dem Magnetfeld liegen, das die Radiowellen verursacht.

Planetarische Ringe

Der Saturn ist vor allem für seine Planetenringe bekannt, die mit einem Teleskop leicht zu sehen sind. Es gibt sieben benannte Ringe; A, B, C, D, E, F und G-Ringe. Sie wurden in der Reihenfolge benannt, in der sie entdeckt wurden, was sich von ihrer Reihenfolge vom Planeten unterscheidet. Vom Planeten sind die Ringe: D, C, B, A, F, G und E.

Wissenschaftler glauben, dass es sich bei den Ringen um Material handelt, das nach dem Auseinanderbrechen eines Mondes übrig geblieben ist. Eine neue Idee besagt, dass es sich um einen sehr großen Mond handelte, der größtenteils auf den Planeten stürzte. Dabei blieb eine große Menge Eis zurück, um die Ringe zu bilden, und auch einige der Monde, wie Enceladus, von denen man annimmt, dass sie aus Eis bestehen.

Geschichte

Die Ringe wurden erstmals 1610 von Galileo Galilei mit seinem Fernrohr entdeckt. Für Galilei sahen sie nicht wie Ringe aus, deshalb nannte er sie "Griffe". Er dachte, dass Saturn drei verschiedene Planeten seien, die sich beinahe berührten. Als die Ringe 1612 der Erde zugewandt waren, verschwanden die Ringe und tauchten 1613 wieder auf, was Galileo weiter verwirrte. 1655 erkannte Christiaan Huygens als erster Mensch, dass der Saturn von Ringen umgeben war. Mit einem viel stärkeren Teleskop als dem von Galilei bemerkte er, dass Saturn "von einem dünnen, flachen Ring umgeben ist, der sich nirgendwo berührt...". 1675 entdeckte Giovanni Domenico Cassini, dass die Ringe des Planeten tatsächlich aus kleineren Ringen mit Lücken bestanden. Der größte Ringspalt wurde später als Cassini-Division bezeichnet. 1859 zeigte James Clerk Maxwell, dass die Ringe nicht massiv sein können, sondern aus kleinen Teilchen bestehen, von denen jedes für sich den Saturn umkreist, sonst würde er instabil werden oder auseinander brechen. James Keeler studierte die Ringe 1895 mit einem Spektroskop, das Maxwells Theorie bewies.

Physikalische Merkmale

Die Ringe reichen von 6.630 km (4.120 mi) bis 120.700 km (75.000 mi) über dem Äquator des Planeten. Wie von Maxwell nachgewiesen wurde, bestehen die Ringe aus kleinen Fels- und Eisteilchen, auch wenn sie von oben betrachtet fest und ungebrochen erscheinen. Sie sind nur etwa 10 m (33 ft) dick; sie bestehen aus Kieselgestein, Eisenoxid und Eispartikeln. Die kleinsten Partikel sind nur Staubkörnchen, während die größten die Größe eines Hauses haben. Die Ringe C und D scheinen auch eine "Welle" in sich zu haben, wie Wellen im Wasser. Diese großen Wellen sind 500 m (1.640 ft) hoch, bewegen sich aber nur langsam mit etwa 250 m (820 ft) pro Tag. Einige Wissenschaftler glauben, dass die Welle von den Saturnmonden verursacht wird. Eine andere Annahme ist, dass die Wellen von einem Kometen erzeugt wurden, der 1983 oder 1984 auf den Saturn einschlug.

Die größten Lücken in den Ringen sind die Cassini-Division und die Encke-Division, beide von der Erde aus sichtbar. Die Cassini-Division ist mit einer Breite von 4.800 km (2.983 mi) die größte. Als die Voyager-Raumschiffe 1980 den Saturn besuchten, entdeckten sie jedoch, dass die Ringe eine komplexe Struktur aus Tausenden von dünnen Lücken und Ringeln bilden. Wissenschaftler glauben, dass dies durch die Gravitationskraft einiger Saturnmonde verursacht wird. Der winzige Mond Pan umkreist das Innere der Saturnringe, wodurch eine Lücke innerhalb der Ringe entsteht. Andere Ringe behalten ihre Struktur aufgrund der Gravitationskraft von Hirtensatelliten, wie Prometheus und Pandora, bei. Andere Lücken bilden sich aufgrund der Gravitationskraft eines weiter entfernten großen Mondes. Der Mond Mimas ist dafür verantwortlich, die Cassini-Lücke zu beseitigen.

Jüngste Daten des Raumschiffs Cassini haben gezeigt, dass die Ringe eine eigene Atmosphäre haben, die frei von der Atmosphäre des Planeten ist. Die Atmosphäre der Ringe besteht aus Sauerstoffgas, das entsteht, wenn das ultraviolette Licht der Sonne das Wassereis in den Ringen aufbricht. Es kommt auch zu einer chemischen Reaktion zwischen dem ultravioletten Licht und den Wassermolekülen, wobei Wasserstoffgas entsteht. Die Sauerstoff- und Wasserstoffatmosphären um die Ringe sind sehr weit voneinander entfernt. Neben Sauerstoff und Wasserstoffgas haben die Ringe auch eine dünne Atmosphäre aus Hydroxid. Dieses Anion wurde mit dem Hubble-Weltraumteleskop entdeckt.

Sprecher

Die Raumsonde Voyager entdeckte strahlenförmige Merkmale, so genannte Speichen. Diese wurden später auch durch das Hubble-Teleskop gesehen. Die Cassini-Sonde fotografierte die Speichen im Jahr 2005. Sie werden unter Sonnenlicht als dunkel gesehen und erscheinen hell, wenn sie gegen die unbeleuchtete Seite gerichtet sind. Zuerst dachte man, die Speichen bestünden aus mikroskopisch kleinen Staubpartikeln, aber neue Beweise zeigen, dass sie aus Eis bestehen. Sie rotieren gleichzeitig mit der Magnetosphäre des Planeten, daher glaubt man, dass sie eine Verbindung zum Elektromagnetismus haben. Was jedoch die Entstehung der Speichen verursacht, ist noch unbekannt. Sie scheinen jahreszeitlich bedingt zu sein, verschwinden während der Sonnenwende und tauchen zur Tagundnachtgleiche wieder auf.

Die Speichen in den Saturnringen, fotografiert von Voyager 2

Monde

Saturn hat 53 benannte Monde und weitere neun, die noch untersucht werden. Viele der Monde sind sehr klein: 33 haben einen Durchmesser von weniger als 10 km (6 mi) und 13 Monde haben einen Durchmesser von weniger als 50 km (31 mi). Sieben Monde sind groß genug, um aufgrund ihrer eigenen Gravitation eine nahezu perfekte Kugel zu sein. Diese Monde sind Titan, Rhea, Iapetus, Dione, Tethys, Enceladus und Mimas. Titan ist der größte Mond, größer als der Planet Merkur, und er ist der einzige Mond im Sonnensystem, der eine dicke, dichte Atmosphäre hat. Hyperion und Phoebe sind die nächstgrößten Monde, größer als 200 km (124 mi) im Durchmesser.

Im Dezember 2004 und Januar 2005 machte ein künstlicher Satellit namens Cassini-Huygens-Sonde viele Nahaufnahmen von Titan. Ein Teil dieses Satelliten, die so genannte Huygens-Sonde, landete dann auf Titan. Der nach dem niederländischen Astronomen Christiaan Huygens benannte Satellit war das erste Raumschiff, das im äußeren Sonnensystem landete. Die Sonde war so konstruiert, dass sie im Falle einer Landung in Flüssigkeit schwimmt. Enceladus, der sechstgrößte Mond, hat einen Durchmesser von etwa 500 km (311 mi). Er ist eines der wenigen Objekte im äußeren Sonnensystem, das vulkanische Aktivität aufweist. Im Jahr 2011 entdeckten Wissenschaftler eine elektrische Verbindung zwischen Saturn und Enceladus. Diese wird durch ionisierte Teilchen von Vulkanen auf dem kleinen Mond verursacht, die mit den Magnetfeldern des Saturn wechselwirken. Ähnliche Wechselwirkungen verursachen das Nordlicht auf der Erde.

Exploration

Der Saturn wurde erstmals im September 1979 von der Raumsonde Pioneer 11 erforscht. Es flog bis zu 20.000 km (12.427 mi) über die Wolkenspitzen des Planeten. Es fotografierte den Planeten und einige seiner Monde, jedoch mit geringer Auflösung. Er entdeckte einen neuen, dünnen Ring, den so genannten F-Ring. Sie entdeckte auch, dass die dunklen Ringspalten hell erscheinen, wenn man sie zur Sonne hin betrachtet, was zeigt, dass die Spalten nicht materialleer sind. Die Raumsonde maß die Temperatur des Mondes Titan.

Im November 1980 besuchte Voyager 1 den Saturn und machte Fotos des Planeten, der Ringe und Monde in höherer Auflösung. Diese Fotos konnten die Oberflächenmerkmale der Monde zeigen. Voyager 1 näherte sich dem Titan und gewann viele Informationen über seine Atmosphäre. Im August 1981 setzte Voyager 2 die Erforschung des Planeten fort. Die von der Raumsonde aufgenommenen Fotos zeigten, dass Veränderungen an den Ringen und der Atmosphäre stattfanden. Die Raumsonden der Voyager entdeckten eine Reihe von Monden, die nahe an den Saturnringen kreisen, und entdeckten auch neue Ringspalten.

Am 1. Juli 2004 trat die Cassini-Huygens-Sonde in eine Umlaufbahn um den Saturn ein. Zuvor flog sie in die Nähe von Phoebe, machte hochauflösende Fotos von ihrer Oberfläche und sammelte Daten. Am 25. Dezember 2004 trennte sich die Huygens-Sonde von der Cassini-Sonde, bevor sie sich in Richtung Titan-Oberfläche bewegte und dort am 14. Januar 2005 landete. Sie landete auf einer trockenen Oberfläche, aber sie stellte fest, dass auf dem Mond große Flüssigkeitskörper existieren. Die Cassini-Sonde sammelte weiterhin Daten von Titan und einer Reihe von Eismonden. Sie fand Hinweise darauf, dass auf dem Mond Enceladus Wasser aus seinen Geysiren ausbrach. Cassini bewies im Juli 2006 auch, dass es auf Titan in der Nähe seines Nordpols Kohlenwasserstoffseen gibt. Im März 2007 entdeckte er in der Nähe seines Nordpols einen großen Kohlenwasserstoffsee von der Größe des Kaspischen Meeres.

Cassini beobachtete seit Anfang 2005 Blitze, die sich im Saturn ereigneten. Die Stärke der Blitze wurde 1.000-mal stärker gemessen als Blitze auf der Erde. Astronomen glauben, dass der im Saturn beobachtete Blitz der stärkste ist, der je beobachtet wurde.

Zeichnung von Cassini in der Umlaufbahn um Saturn


Saturn vom Cassini-Raumschiff aus gesehen im Jahr 2007

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