Warto przeczytać

R58s22tAnk0do

Rys. 1. Ilustracja przedstawia zdjęcie saturna wykonane przez sondę kosmiczną Cassini. Na tle czarnej przestrzeni kosmicznej widoczna jest w połowie zaciemniona, brązowa, kulista planeta Saturn. Wokół planety widoczne są jej charakterystyczne pierścienie składające się z materiału skalnego krążącego po orbicie. Materiał skalny tworzy płaskie pierścienie wirujące na zdjęciu w płaszczyźnie poziomej, prostopadłej do osi obrotu planety.

Charakterystyka Saturna

Saturn (Rys. 1.), tak jak pozostałych pięć najjaśniejszych i najbliższych Słońcu planet, znany był już w starożytności. Ze względu na swoją jasność wahającą się pomiędzy -0.55 magmagnitudo [mag] mag a +1.17 mag, jest ostatnią planetą Układu Słonecznego widoczną nieuzbrojonym okiem. Już Babilończycy i Grecy dzięki obserwacjom tej planety próbowali wyznaczać parametry orbity Saturna (Tab. 1.). Do XVIII wieku uznawany był za ostatnią planetę Układu Słonecznego. Dopiero rozwój technologii i budowa profesjonalnych teleskopów umożliwiły dokładne badanie tej jasnej, lecz bardzo odległej planety gazowej oraz pozwoliło odkryć kolejne gazowe olbrzymy.

* jest to czas obrotu planety wyznaczony w oparciu o pomiary radiowe. Systemy chmur Saturna wykazują czas obrotu krótszy o średnio 6 minut. Dokładny prawdziwy okres obrotu planety nie jest potwierdzony.

Saturn jest szóstą planetą Układu Słonecznego, oddaloną od Ziemi o ponad miliard kilometrów. Jego odległość od Słońca to ponad 9,5 jednostki astronomicznej. Oznacza to, ze światło przebiega ten dystans w czasie 80 minut.

Ogromna odległość jest dużą przeszkodą w badaniu tej planety. Do tej pory zaledwie cztery misje kosmiczne badały Saturna. Były to:

- Pioneer 11 we wrześniu 1979 roku,

- Voyager 1 w listopadzie 1980 roku,

- Voyager 2 w sierpniu 1981 roku,

- Cassini‑Huygens w latach 2004‑2017.

Trzy pierwsze misje kosmiczne badały Saturna, pierścienie i jego księżyce jedynie podczas przelotów. Natomiast sonda Cassini weszła na orbitę wokół Saturna badając go przez 13 lat.

Atmosfera

Dzięki misji kosmicznej Cassini‑Huygens odkryto i zbadano wiele zjawisk atmosferycznych. Między innymi zaobserwowano wyładowania atmosferyczne w postaci piorunów o mocy 1000 razy większej niż pioruny ziemskie. Zaobserwowano wiele zjawisk burzowych występujących w pasach chmur, bardzo podobnych do panujących w atmosferze Jowisza, lecz znacznie słabszych. Najbardziej znana, pojawiająca się okresowo została nazwana Wielką Białą Plamą. Występuje ona na północnej półkuli w okresie saturiańskiego przesilenia letniego.

Zewnętrzne warstwy atmosfery Saturna składają się w ponad 96% z wodoru, 3% z helu oraz znikomych ilości metanu, amoniaku i etanu. Zawartość pierwiastków cięższych od helu nie jest dokładnie znana, ale szacuje się, że ich ilość nie zmieniła się od czasu powstania Układu Słonecznego i znajduje się głównie w jądrze planety. Poniżej górnej warstwy atmosfery gazowej składającej się z wodoru i helu znajdują się chmury zawierające kryształki zamrożonego wodorosiarczku amonu. Dokładna analiza składu chemicznego atmosfery wymaga specjalistycznych pomiarów przy pomocy próbnika, który zostałby zrzucony bezpośrednio w atmosferę (takie urządzenie zostało użyte w czasie misji Galileo badającej Jowisza).

Unikalnym zjawiskiem atmosferycznym na skalę całego Układu Słonecznego jest sześciokątna burza w okolicy bieguna północnego (Rys. 2.).

R7Z7pmtuadZvy

Rys. 2. Ilustracja przedstawia zdjęcie planety Saturn wykonane przez sondę kosmiczną Cassini w podczerwieni. Na zdjęciu widoczna jest szara, kulista planeta z jasnymi chmurami tworzącymi pasy obracające się wokół osi obrotu planety. Wokół planety widoczne są jej pierścienie obracające się również w płaszczyźnie prostopadłej do osi obrotu planety. Pierścienie są koloru szarego. Wewnętrzne pierścienie są jaśniejsze niż ich zewnętrzne odpowiedniki.

W rzeczywistości jest to układ chmur w bardzo gęstej atmosferze, które pod wpływem zmiennych wiatrów tworzą niepowtarzalne wiry. Odkryła go sonda kosmiczna Voyager 1. Długość jednego boku tego układu burzowego chmur wynosi około 14500 km, czyli jest on dłuższy niż średnica Ziemi. Pełny obrót tej struktury trwa 10h 39 minut i 24 sekundy, czyli okres jest dłuższy o 6 minut niż średni czas obrotu systemów chmur Saturna w okolicy równika. Struktura ta prawdopodobnie nie przesuwa się w stosunku do całej planety tak, jak wszystkie obserwowane pasma i systemy chmur. Nieznane jest pochodzenie tego typu struktury. Naukowcy podejrzewają, że kształt tej burzy jest wynikiem działania fali stojącej w gęstej atmosferze. W naziemnych obserwatoriach udało się odtworzyć w mieszaninie płynów podobne symetryczne kształty, w których wytworzono falę stojącą.

Na biegunie południowym sonda Cassini zaobserwowała huragan, w środku którego widać było ścianę zwaną okiem cyklonu. Takie zjawisko obserwowane było jedynie na Ziemi. Temperatura w tym regionie jest znacznie wyższa i wynosi około -122 stopni Celsjusza. Jest to prawdopodobnie najcieplejszy obszar w zewnętrznych warstwach Saturna. Rozmiar tego obszaru porównywalny jest z rozmiarem całej Ziemi, a wiatr wiejący w jego środku osiąga prędkości rzędu 550 km/h.

Pierścienie

W roku 1610 Galileusz obserwował Saturna przy pomocy skonstruowanego przez siebie pierwszego teleskopu. Zauważył jasne obiekty leżące tuż obok Saturna (dziś wiemy, że były to pierścienie). W kolejnych obserwacjach nie dostrzegał tych obiektów, więc uznał to za pomyłkę. Jego teleskop był zbyt słaby, więc obraz oglądany przez Galileusza był bardzo rozmyty. Dopiero w 1658 roku Christian Huygens opisał struktury wokół Saturna jako dyski materii krążącej wokół planety. Pomyłka Galileusza była spowodowana ruchem Saturna względem Ziemi. W zależności od położenia na orbicie Saturn nachylony jest pod innym kątem w stosunku do Ziemi. To sprawia, że w zależności od momentu obserwacji, obserwujemy pierścienie pod innym kątem. Czasami są one całkowicie niewidoczne, ponieważ leżą w płaszczyźnie obserwacji (ich inklinacjainklinacja inklinacja jest równa zero), a w innych momentach obserwacji możemy je oglądać Rys. 3.

RdKa8maPaPwLX

Rys. 3. Ilustracja przedstawia kombinację pięciu zdjęć planety Saturn wykonane przez Kosmiczny Teleskop Hubblea na przestrzeni czterech lat. Na tle czarnej przestrzeni kosmicznej widocznych jest pięć zdjęć począwszy od lewego i dolnego rogu ilustracji ku prawemu i górnemu rogowi. Na zdjęciach widoczna jest szarobrązowa kulista planeta z szarymi pierścieniami obracającymi się wokół jej powierzchni. Pierścienie obracają się w płaszczyźnie poziomej, prostopadłej do osi obrotu planety. Na najniższym zdjęciu płaszczyzna pierścieni obrócona jest nieco w prawo i w dół a na najwyższym zdjęciu w prawo i nieco w górę. W ciągu czterech lat na planecie Saturn doszło do zmiany pory roku od jesieni do zimy.

Pierścienie Saturna są dyskiem pyłowo‑lodowo‑skalnym o zmieniającej się gęstości. Zbudowane są głównie z lodu i drobin skalnych. W rzadszych regionach jest to pył. Oglądając zdjęcia Saturna można sądzić, że pierścieni wokół planety są tysiące. Takie przybliżenie pozwala dostrzegać szczegóły budowy pierścieni oraz pasma chmur w atmosferze Saturna (Tab. 2.). W rzeczywistości jest to tylko złudzenie, ponieważ to co obserwujemy, to największe zagęszczenia materii w pierścieniach. Odbijają one znacznie więcej światła niż rzadsze regiony, dlatego są bardziej widoczne. Pierścienie nazwano dużymi literami alfabetu lub nazwami księżyców, które w tym regionie się znajdują.

Odległość liczona jest od środka planety. Gwiazdką oznaczono pierścienie, w których znajdują się węższe struktury nie wymienione w tabeli (patrz Rys. 4.).

System pierścieni Saturna jest bardzo złożony i jest wynikiem bardzo ciekawych zjawisk.

• Cztery główne struktury to pierścienie C, B, A i F. Pozostałe pierścienie są znacznie słabsze słabiej widoczne – odbijają znacznie mniej światła, składają się głównie z pyłu.

• Pierścień E jest efektem wyrzutów lodowej materii z kriowulkanów znajdujących się na księżycu Enceladus.

• Pierścienie G oraz Pallene tworzą pyły, które są wywiewane z małych księżyców w wyniku zderzeń z drobnymi ciałami niebieskimi.

• Przerwy w pierścieniach wytworzyły się z powodu obecności w tym regionie księżyców, które zebrały, dzięki swojej grawitacji, materię znajdującą się w obrębie ich orbity.

• Ostatni znany pierścień swoją nazwę zawdzięcza księżycowi Febe. Jest to bardzo słaby, rzadki dysk pyłowy rozciągający się na granicy systemu pierścieni Saturna. Pierścień ten jest silnie nachylony w stosunku do głównych pierścieni i niewidoczny podczas obserwacji teleskopowych.

RLOoHku40nOus

Rys. 4. Ilustracja przedstawia zdjęcie, na którym widoczny jest fragment pierścieni planety Saturn. Zdjęcie wykonano w widoku z góry na pierścienie i widoczny jest na nim fragment łuków uwypuklonych w prawą stronę. Szarobrązowe pierścienie po lewej stronie mają najmniejszy promień krzywizny a te po prawej stronie zdjęcia największy. Na zdjęciu oznaczono od lewej strony, wielkimi literami poszczególne sektory pierścieni, różniące się rozkładem, czyli gęstością materii. Wewnętrzne pierścienie oznaczono wielką literą D. Następnie poszczególne sektory oznaczono w kierunku do pierścieni zewnętrznych wielkimi literami C, B, A. Najbardziej zewnętrzne pierścienie znajdują się w obszarze opisanym wielką literą F. Zewnętrzne pierścienie są jaśniejsze niż wewnętrzne.

Pochodzenie (Rys. 5.) pierścieni Saturna nie jest całkowicie wyjaśnione. Do niedawna sądzono, że tak jak wszystkie pierścienie wokół gazowych olbrzymów, pierścienie Saturna powstały w czasie formowania się planety z pierwotnej mgławicy. Materia, z której powstawały gazowe planety nie została całkowicie przyciągnięta do planety, a pozostała w płaszczyźnie równika tworząc dyski. Dzięki pomiarom sondy Cassini wiadomo, że część pierścieni jest znacznie młodsza niż wiek Układu Słonecznego. To jest bardzo dziwne i ciekawe. Skąd się więc wzięła w Układzie Słonecznym? Najbardziej prawdopodobne jest, że materia pierścieni jest wzbogacana materią drobnych ciał znajdujących się w pobliżu Saturna. Druga teoria mówi o tym, że Saturn we wczesnych fazach formowania się miał księżyc, który został rozerwany przez siły grawitacyjne Saturna lub rozpadł się podczas zderzenia z dużą kometą. Obie te teorie są równie prawdopodobne. Wiadomo, że część materii w pierścieniach pochodzi z powierzchni księżyców. Przypuszcza się, że materia z pierścieni cały czas ulatnia się w przestrzeń okołoplanetarną. Prawdopodobnie pierścienie były znacznie większe we wczesnych fazach istnienia Saturna. Jeżeli przypuszczenia te zostaną potwierdzone przez kolejne badania, to pierścienie mogą zniknąć w ciągu najbliższych 300 milionów lat.

RW59IgqOLIFea

Rys. 5. Ilustracja przedstawia zdjęcie planety Saturn wykonane przez sondę kosmiczną Cassini w dwa tysiące siódmym roku. Na tle czarnej przestrzeni kosmicznej widoczna jest szarobrązowa planeta. Planeta obraca się wokół pionowej osi symetrii. Wokół planety widoczne są czarne pierścienie składające się z materiału skalnego wirującego wokół planety. Płaskie pierścienie obracając się w płaszczyźnie poziomej, prostopadłej do osi obrotu planety. Na powierzchni planety widoczny jest również czarny cień pierścieni.

Księżyce

Saturn ma 82 znane księżyce (stan na 16 października 2019) o bardzo zróżnicowanej budowie i prawdopodobnie pochodzeniu. Wszystkie saturiańskie księżyce dostały nazwy związane z postaciami z mitologii rzymskiej powiązanymi z bogiem czasu – Saturnem. Zaledwie 7 z nich jest wystarczająco masywnych, aby wytworzyć kulisty kształt. Natomiast tylko 13 ma średnicę powyżej 50 km. Pozostałe księżyce mają nieregularną budowę. Najdalszych 38 księżyców ma bardzo eliptyczną orbitę oraz dużą inklinację. Prawdopodobnie są to księżyce, które były planetoidami przechwyconymi w czasie ewolucji Układu Słonecznego przez pole grawitacyjne Saturna.

Najciekawszym z księżyców Saturna jest Tytan. Jest to drugi pod względem wielkości księżyc (największy jest Ganimedes okrążający Jowisza) w Układzie Słonecznym oraz jedyny księżyc w Układzie Słonecznym posiadający gęstą atmosferę. Atmosfera ta jest gęstsza od ziemskiej, w większości składająca się z azotu. Tytan jest również jedynym znanym ciałem niebieskim Układu Słonecznego, na którego powierzchni występują jeziora z cieczą – ciekłym metanem. Zarówno w atmosferze, jak i na powierzchni tego księżyca wykryto znaczące ilości związków organicznych. Dokładne badania atmosfery były możliwe dzięki lądownikowi Huygens, który był częścią misji kosmicznej Cassini‑Huygens. Badania Tytana wykazują cechy podobieństwa do Ziemi z czasów sprzed 4 miliardów lat, czyli początków Układu Słonecznego. Masa Tytana stanowi około 96% całej masy znajdującej się w obrębie Saturna. Pozostałe sześć największych księżyców, czyli Mimas, Enceladus, Tetyda, Dione, Rhea i Japetus, to prawie 4% masy okrążającej Saturna. Pozostałe 75 księżyców oraz pierścienie to zaledwie 0,04% tej masy.

Kolejny interesujący księżyc Saturna to Enceladus. Jest to księżyc lodowy, drugi pod względem odległości od Saturna oraz szósty pod względem rozmiaru księżyc Saturna. Jego powierzchnia jest pokryta kraterami, równinami i wieloma spękaniami skorupy. Na południowej półkuli na powierzchni Enceladusa występują gejzery, z których wyrzucany jest materiał składający się z lodu i pary w przestrzeń kosmiczną z prędkością około 400 m/s. Materiał ten zasila w znacznej części pierścień E. Region zwany „tygrysie pasy” na powierzchni księżyca prawdopodobnie jest wynikiem rozszerzania się skorupy Enceladusa. Świadczy to o aktywności wewnętrznej księżyca.

Saturn wraz całym systemem pierścieni oraz bardzo dużą ilością księżyców jest bardzo ciekawym, lecz trudnym do badania ciałem niebieskim. Każda misja kosmiczna prowadząca badania w regionie Saturna odkrywa nowe ciekawe fakty odnośnie budowy Saturna oraz jego księżyców. Kolejne misje kosmiczne pozwolą wyjaśnić istnienie burz w obrębie biegunów planety, a także skomplikowanych zjawisk, jakie są obserwowane na jego księżycach.

Słowniczek