Für einen felsigen Planeten kann es einfach sein, die Länge eines Tages zu ermitteln. Wählen Sie einfach einen Referenzpunkt aus und beobachten Sie, wie lange es dauert, bis die Ansicht nicht mehr angezeigt wird. Aber für Planeten wie Saturn ist es nicht so einfach. Es sind keine Oberflächenmerkmale zu verfolgen.
Wissenschaftler haben jahrzehntelang versucht, die Rotationsperiode des Saturn zu bestimmen. Aber der Gasriese wollte seine Geheimnisse nur ungern preisgeben. Eine neue Studie in AGUsZeitschrift für geophysikalische Forschung: Weltraumphysik kann endlich die Antwort haben. Die Studie trägt den Titel "Saturns multiple, variable Periodizitäten: Ein Doppelschwungradmodell der Thermosphäre-Ionosphäre-Magnetosphäre-Kopplung".
Bei einem Planeten wie der Erde wissen wir, was wir messen, wenn wir die Rotationsperiode messen. Wir messen die Oberfläche des Planeten. Aber für einen Gasriesen sind die Dinge komplexer. Über welche Schicht des Planeten sprechen Wissenschaftler tatsächlich?
Saturn ist ein vielschichtiger Gasriese, wahrscheinlich mit einem felsigen Kern. Dieser Kern ist von einer Eisschicht umgeben, dann von metallischem Wasserstoff und Helium. Dann ein Gebiet mit Heliumregen, weiter umgeben von einer Region mit flüssigem Wasserstoff. Dann kommt eine große Region von gasförmigem Wasserstoff. Die obere Atmosphäre des Saturn besteht aus drei Schichten: Oben befinden sich Ammoniakwolken, darunter Ammoniumhydrogensulfid und darunter Wasserdampfwolken.
Wenn Wissenschaftler über die Rotationsperiode des Saturn sprechen, sprechen sie über die obere Atmosphäre. Es ist der einzige Teil des Planeten, der wirklich gemessen werden kann.
Wissenschaftler untersuchen die Radiofrequenzmuster, die ein Gasriese aussendet, um seine Tageslänge zu bestimmen. Die Schwierigkeit bei Saturn besteht darin, dass es nur niederfrequente Funkmuster aussendet, die die Erdatmosphäre blockiert. Dies steht im Gegensatz zu Jupiter, der höherfrequente Muster aussendet, die durch die Erdatmosphäre gehen. Aufgrund dessen konnten Wissenschaftler die Rotationsperiode von Jupiter vor dem Aufkommen des Raumfahrzeugs berechnen.
Saturn musste bis 1980 und 1981 warten, als Voyager 1 und Voyager 2 Daten besuchten und sammelten. Zu diesem Zeitpunkt maßen sie die Rotationsperiode bei 10 Stunden und 40 Minuten. Das war die beste Messung, die zu dieser Zeit verfügbar war, und sie blieb hängen. Seit zwei Jahrzehnten.
Aber dann besuchte Cassini Saturn und verbrachte 13 Jahre damit, ihn und seine Monde zu studieren. Die Astronomen waren erstaunt, dass sich die Rotationsperiode des Saturn geändert hatte. Cassini-Daten zeigten, dass sich in den zwanzig Jahren zwischen Voyagers und Cassini - eine unbedeutende Zeitspanne im Leben eines Planeten - die Länge des Tages geändert hatte.
"Ungefähr 2004 haben wir gesehen, dass sich der Zeitraum um 6 Minuten geändert hat, ungefähr 1 Prozent."
Duane Pontius vom Birmingham-Southern College in Alabama, Co-Autor der Studie.
Cassini zeigte, dass sich die Rotationsperiode um 6 Minuten oder etwa 1 Prozent geändert hatte.
"Ungefähr 2004 haben wir gesehen, dass sich der Zeitraum um 6 Minuten geändert hat, ungefähr 1 Prozent", sagte Duane Pontius vom Birmingham-Southern College in Alabama, Mitautor der neuen Studie. „Ich habe lange angenommen, dass mit der Dateninterpretation etwas nicht stimmt“, erinnert sich Pontius. "Es ist einfach nicht möglich."
Wie verändert ein ganzer Planet in so kurzer Zeit seine Rotationsperiode? Eine Änderung dieser Größenordnung sollte Hunderte von Millionen von Jahren dauern. Aber es gab noch mehr: Cassini maß auch elektromagnetische Muster, die zeigten, dass die nördliche und südliche Hemisphäre unterschiedliche Rotationsperioden hatten.
Saturns wechselnde Jahreszeiten
Pontius und die anderen Autoren wollten verstehen, was passiert war und warum es eine Diskrepanz bei den Messungen gab. Unter der Annahme, dass die Cassini-Daten richtig verstanden wurden, musste es einen Grund für die Änderung und den Unterschied zwischen den Hemisphären geben. Sie beschlossen, Saturn mit seinem nächsten Geschwister, Jupiter, zu vergleichen.
Eine Sache, die Saturn hat, sind Jahreszeiten. Saturn hat eine axiale Neigung von fast 27 Grad, ähnlich der Neigung der Erde von 23 Grad. Jupiter hat nur eine Neigung von drei Grad. Genau wie die Erde erhalten die Nord- und Südhalbkugeln des Saturn unterschiedliche Energiemengen, wenn sie die Sonne umkreisen.
Am äußeren Rand der Saturnatmosphäre befindet sich eine Region aus Plasma. Pontius und die anderen Autoren glauben, dass die unterschiedliche Menge an UV-Energie, die im Laufe der Jahreszeiten die Hemisphären erreicht, mit diesem Plasma interagiert. In dem von ihnen entwickelten Modell wirken sich die UV-Schwankungen auf das Plasma aus und erzeugen mehr oder weniger Luftwiderstand am Schnittpunkt von Plasma und Außenatmosphäre.
Der Luftwiderstand bestimmt die Rotation der Atmosphäre, wie durch Funkwellenemissionen gezeigt, und diese Rotation ändert sich je nach der beobachteten Jahreszeit.
Der Luftwiderstand aus dem Plasma verlangsamt die Rotation und gibt uns die Rotationsperiode, die durch die Funkemissionen signalisiert wird. Wenn sich die Jahreszeit ändert, ändert sich der Plasmawiderstand und auch die Funkemissionen. Wiederum sind es die Radioemissionen, mit denen Wissenschaftler die Rotationsperiode des Saturn messen, da es keine festen Oberflächenmerkmale gibt.
Dieses von Pontius und seinen Kollegen entwickelte Modell liefert eine Erklärung für die Rotationsänderung in den 20 Jahren zwischen den Voyagern und Cassini. Diese Messung gilt jedoch nur für Saturn-Oberflächenschichten. Der felsige Kern, der zwischen dem 9 und 22-fachen der Masse der Erde liegt, ist unter Zehntausenden von Kilometern Atmosphäre verborgen und unergründlich.
Mehr:
- Pressemitteilung: Sinn machen für die unmögliche Rotation des Saturn
- Scientific Paper: Saturns multiple, variable Periodizitäten: Ein Doppelschwungradmodell der Thermosphäre-Ionosphäre-Magnetosphäre-Kopplung
- ESA Cassini-Huygens: Saturns Atmosphäre
