Saturn i jego pierścienie

Fizyka układów planetarnych Saturn i jego pierścienie Wykład 7

Saturn Ziemia półoś wielka 9,6 j.a. 1,0 j.a. okres orbitalny 29,4 roku 1 rok mimośród 0,057 0,017 inklinacja (kąt nachylenia płaszczyzny orbity względem ekliptyki) 2,5 okres rotacji (doba gwiazdowa) 10 h 39 min 22 s 23 h 56 min 04 s promień równikowy (1 bar) biegunowy masa 60268 km (9,45 R Z ) 54364 km (8,55 R Z ) 568 10 24 kg (95 M Z ) 6378 km 6357 km 6 10 24 kg (1,0 M Z ) śr. gęstość 0,7 g cm - 3 5,5 g cm - 3 przysp. grawit. (na równiku) 10,4 m s - 2 9,8 m s - 2 albedo 0,47 0,367 I/(MR 2 ) 0,21 0,3308

Budowa wewnętrzna ATMOSFERA WODÓR CZĄSTECZKOWY METALICZNY WODÓR pojawia się na głębokości ok. 30000 km JĄDRO średnica ok. 16000 km temperatura 13000 K, mieszanina skał (krzemiany, żelazo) i lodów (wody, metanu i amoniaku) Źródło: P.Bond, Exploring the Solar System, 2010 Źródło: LPI

Pole magnetyczne Mniejsza wersja magnetosfery Jowisza. 30 razy słabsze niż Jowisza, ale 600 razy silniejsze niż Ziemi oś pola równoległa do osi rotacji planety (wyjątek w US) torus plazmowy zasilany jonami z H 2 O wyrzucanej przez gejzery na Eceladusie (300 kg/s). Średnia gęstość: 3000 cząstek na cm 3, rozmiar 15 20 promieni planety rozpościera się średnio 1,8 mln km w kierunku Słońca (wartość zmienia się w granicach 1,2 2,1 mln km w zależności od aktywności słonecznej) Źródło: Univ. of Colorado

Pasy radiacyjne Obszary występowania cząstek wysokoenergetycznych (10 7 ev) uwięzionych przez magnetosferę ENERGIA JONÓW è ENERGIA e è KOLORY KODUJĄ GĘSTOŚĆ kilka MeV GŁÓWNY PAS RADIACYJNY 30 kev kilka MeV głównie jony z fotodysocjacji (UV) wody nad pierścieniami rozpościera się stosunkowo cienki (do 6000 km) i rozrzedzony pierścień z cząstkami o energiach poniżej 150 kev /JPL/APL

Zorze Mogą trwać dłużej (do kilku dni) niż na Ziemi (kilka godzin) średnica owala zorzowego wynosi ok. 9000 km, a podstawa sięga wysokości 1600 km powyżej warstwy chmur widoczne tylko w UV skorelowane z natężeniem promieniowania radiowego zmiany średnicy owala w zależności od intensywności świecenia efekt kompresji pola magnetycznego przez wiatr słoneczny /ESA/Boston Univ. Zorze w UV (na niebiesko) na tle tarczy planety w zakresie widzialnym. Zmiany są odzwierciedleniem oddziaływań z wiatrem słonecznym /Univ. of Arizona

Ciepło wewnętrzne Planeta emituje 1,8 razy więcej energii (cieplnej) niż dostaje od Słońca. Wynik ten jest sprzeczny z modelem uwzględniającym jedynie ciepło zakumulowane w czasie powstawania planety i powstające wskutek kontrakcji globu. Atmosfera planety wykazuje względny niedobór helu w porównaniu z Jowiszem. Modele wskazują, że spadek helowego deszczu do centrum planety wyzwala wskutek tarcia obserwowaną nadwyżkę ciepła. Proces ten trwa od ok. 2 10 9 lat. /Univ. of Arizona Obraz północnej półkuli Saturna uzyskany w podczerwieni (5,1 µm). Emisja termiczna z wnętrza planety (do ok. 70 km poniżej chmur) zaznaczona na czerwono i biało. Widoczny wzór wynika ze struktury chmur

Atmosfera - skład wodór cząsteczkowy H 2 : 96.3±2.4% He: 3.25±2.4% metan CH 4 : 0.45±0.2% amoniak NH 3 : 0.0125±0.075% HD (atom wodoru i deuteru): 0.011±0.0058% etan C 2 H 6 : 0.0007±0.00015% woda, ecetylen, fosforowodór, wodorosiarczek amonu aerozole lodów wody, amoniaku i wodorosiarczku amonu

Atmosfera - chmury Na pierwszy rzut oka planeta wygląda jak wyblakły Jowisz 25% energii od Słońca jaką otrzymuje Jowisz mniejszy gradient ciśnienia (mniejsza grawitacja) chmury występują głębiej, nad nimi mgła (kryształki amoniaku i węglowodory będące efektem oddziaływania światła słonecznego z metanem) brak relacji konwekcja-kolor kryształki amoniaku 140 K /JPL Źródło: Open University

Atmosfera - wiatry Jedne z najsilniejszych w Układzie Słonecznym, słabo skorelowane z pasami i strefami wieją w większości z zachodu na wschód duża zmienność spowodowana porami roku i przesłanianiem przez pierścienie główny prąd strumieniowy między 35 N i 35 S z prędkością do 1700 km/h (4 razy więcej niż na Jowiszu) źródło energii: ciepło planety Źródło: Planetary Sciences, de Pater & Lissauer (2010)

Atmosfera burze Podobne do tych na Jowiszu (antycyklony) lecz znacznie słabsze pas burz w czasie lata na półkuli północnej zaobserwowany w listopadzie 1990. Burze trwały przez kilka miesięcy skutek wynoszenia cieplejszego gazu przez konwekcję Źródło: HST

Atmosfera burze Burza z grudnia 2010 widziana przez sondę Cassini

Atmosfera burze Ewolucja burzy z grudnia 2010 Kolor koduje wysokość chmur: brązowo-czerwony chmury najniższe, niebieskie - najwyższe

Atmosfera burze Kolejna z początku 2013 roku

Atmosfera burze Źródło: Nature 475, 44 (2011)

Fizyka układów planetarnych 7. Saturn i jego pierścienie Polarny sześciokąt Heksagonalna struktura polarna Efekt dynamiki płynów z nietrywialnymi warunkami brzegowymi w okolicach bieguna północnego ç 13800 km è Źródło: Icarus 206, 755 (2010)

Polarny Wir polarny sześciokąt Układ niskiego ciśnienia nad biegunem południowym, z wyraźnie zaznaczonym okiem cyklonu i pierścieniami wypiętrzonych chmur W oku jest o kilka K cieplej

Polarny Pierścienie sześciokąt widziane z Ziemi Pozorne znikanie i pojawianie się to efekt nachylenia płaszczyzny równikowej planety względem płaszczyzny orbitalnej o kąt 27 Źródło: P.Bond, Exploring the Solar System, 2010

Struktura Obraz pierścieni wykonany przez sondę Cassini. Obszary żółte są nieprzezroczyste skutek zagęszczenia materii, ale jednocześnie cechują się wieloma przerwami Obszary niebieskie są stosunkowo przezroczyste Rozciągają się do 374000 km, grubość kilkadziesiąt metrów Jest jeszcze pierścień wewnętrzny D oraz zewnętrzne F, G i E /Univ. of Colorado

Struktura Składają się odłamków skalnych i lodu wodnego tworzących luźne śnieżki Pierścień C jest ciemniejszy niż A, co wskazuje, że śnieżki są bardziej zanieczyszczone /Univ. of Colorado

Struktura Pierścienie to w rzeczywistości zbiór koncentrycznych zagęszczeń materii o grubości radialnej od 2 13 m dla pierścienia A do 30 50 m dla pierścienia B Dynamika grudek materii jest niesłychanie niestabilna łatwo migrują między sąsiednimi zagęszczeniami. Tym samym rozkład poszczególnych zagęszczeń zmienia się jedne zanikają, inne odbudowują się. Ten cykliczny proces rządzony siłami grawitacji zapewnia stabilność pierścieni w długich skalach czasowych

Granica Roche a Rozważmy układ planeta księżyc, w którym planetę można przybliżyć punktem o masie M p, a księżyc jest kulisty i utrzymywany w całości jedynie przez grawitację. Ponadto jego orbita jest kołowa, a okres rotacji zsynchronizowany z okresem obiegu. Na jednostkę masy fragmentu księżyca działać będzie siła grawitacji g p = GM p gdzie r to odległość planeta-element, oraz siła odśrodkowa gdzie ω to prędkość kątowa związana z ruchem orbitalnym. Dla środka masy księżyca g p = g n, czyli ω 2 rˆr GM p r 2 gdzie a to promień orbity. Efektywne przyspieszenie grawitacyjne, jakiego doświadcza fragment księżyca położony r od planety wyniesie r 2 g ω = ω 2 rˆr, ˆr, ˆr = 0 ω 2 = GM p r 3 " r g ef = g ω g p = GM p a 1 % $ ' ˆr. # 3 r 2 & = GM p a 3, Siły pływowe zależą od gradientu g eff dg ef dr = GM " 1 p a 2 % $ ' ˆr # 3 r 3 & r a 3GM p a 3 ˆr.

Granica Roche a Na powierzchni siła grawitacji równoważy siły pływowe, gdy GM k R k 2 = 3GM pr k a 3, gdzie M k i R k to masa i promień księżyca. Warunek ten jest spełniony dla orbity o promieniu a R R p = 3 M 3 p R k! 3 =1, 44 ρ $ p 3 # & R p " % gdzie ρ to średnie gęstości obu ciał. Dla ciaśniejszych orbit księżyc ulegnie fragmentacji. M k ρ k 1 3,

Struktura Przerwy i zagęszczenia to efekt wymiatania materii przez satelity zanurzone w pierścieniach lub oddziaływania rezonansowe Księżyc Pan (26 km średnicy) generuje przerwę Enckego w pierścieniu A Dafnis (8 km średnicy, 2005) odpowiedzialny jest za przerwę Keelera w pierścieniu A. Wzbudza 0,5 1,5 km pionowe fale na brzegach przerwy Przerwa Cassiniego to efekt rezonansu orbitalnego 1:2 z Mimasem (397 km)

Perturbacje i rezonanse Ruch drobinki o masie m d można rozważać jako ruch keplerowski w polu grawitacyjnym ciała centralnego zaburzany przez ciała trzecie, np. księżyc o masie m k. Zaburzenia te opisuje funkcja perturbacyjna $ 1 R = Gm k & % r k r d r k r d r k 3 gdzie r to położenia obu ciał względem ciała centralnego. Siła działająca na drobinkę od księżyca wynosi F = m d R. W ruchu orbitalnym perturbacje te mają charakter okresowy. Nawet niewielkie perturbacje mogą wygenerować silne efekty, gdy ich częstotliwość jest równa częstotliwości drgań własnych oscylatora. Równanie ruchu jednowymiarowego oscylatora harmonicznego zaburzanego siłą F f z częstotliwością ω f przyjmuje postać gdzie m to masa oscylatora, ω 0 jego częstość własna, x położenia, t czas. Rozwiązanie przyjmuje postać x = F f m ω o 2 ω f 2 gdzie C 1 i C 2 to stałe wynikające z warunków początkowych. Gdy obie częstości są sobie bliskie, pojawia się zaburzenie o dużej amplitudzie. W przypadku, gdy obie częstotliwości są równe (rezonans), równanie przyjmuje postać x = ' ), ( m d2 x dt + mω 2 2 0 x = F f cos( ω f t), ( ) cos ( ω f t) + C 1 cos ω 0 t ( ) + C 2 sin ω 0 t ( ), F f 2mω t sin 2 ( ω 0t) + C 1 cos( ω 0 t) + C 2 sin( ω 0 t). o

Perturbacje i rezonanse W ruchu orbitalnym rezonans zachodzi wtedy, gdy zaburzenie występuje w tej samej fazie ruchu orbitalnego (stąd stosunek okresów drobinki i księżyca musi być równy stosunkowi dwóch liczb naturalnych). Drobinka w rezonansie zyskuje duży mimośród. Jednak ten nadmiar energii kinetycznej jest dysypowany w czasie wzajemnych zderzeń drobinek (także z tego powodu pierścienie są płaskie).

Struktura Rezonanse wysokiego rzędu z księżycami formują zagęszczenia w pierścieniach. Poniżej fragment pierścienia A

Struktura Nawet przerwy nie są zupełnie puste fale brzegowe to efekt oddziaływania grawitacyjnego Pana ślad po jeszcze nie odkrytym księżycu? smuga na orbicie Pana świadectwo erozji księżyca? Przerwa Enckego w pierścieniu A

Struktura Śmigiełka w pierścieniu A zaburzenia powodowane przez nieodkryte księżyce o rozmiarach rzędu 4 120 m

Struktura Szprychy w pierścieniu B zaburzenia gęstości pyłu generowane przez pole magnetyczne

Struktura Pierścień F utrzymywany przez Prometeusza (86 km) i Pandorę (80 km) księżyce pasterskie Źródło: P.Bond, Exploring the Solar System, 2010

Struktura Pierścienie zewnętrzne są trudno dostrzegalne, związane z małymi księżycami. Pierścień E, relatywnie szeroki, związany jest z gejzerami na Enceladusie

Struktura Pierścień Febe bardzo daleko od planety (7,7 12,5 mln km), odkryty 2009 r. dzięki obserwacjom w podczerwieni. Jest związany z księżycem (220 km) o tej samej nazwie, nachylony pod kątem 27 względem płaszczyzny pozostałych pierścieni

Największe księżyce Saturna Mimas Enceladus Tetyda Dione Rea Tytan Hyperion Japet Febe okres orb. [d] 0,95 1,37 1,89 2,74 4,52 15,9 21,3 79,3 550,5 mimośród 0,0202 0,0045 0,000 0,0022 0.0013 0,0289 0,1230 0,0286 0,163 Źródło: LPI średnica [km] 397 504 1060 1118 1528 5150 280 1436 220 gęstość [g/cm 3 ] 1,15 1,61 0,97 1,48 1,23 1,88 0,54 1,09 1,64 albedo 0,96 1,38 1,22 0,99 0,95 0,22 0,3 0,05 0,5 0,06 temp. pow. [K] 64 75 86 87 53 99 93,7 93 90 130 75

Tytan Metanowy świat OCEAN WODY I AMONIAKU SKAŁY I LÓD Chmury etanu Toliny LÓD WODNY SKOMPRESOWANY LÓD WODNY Toliny związki organiczne bogate w azot, powstałe np. metanu i etanu wskutek UV

Enceladus fragmenty powierzchni relatywnie młode (<1 mln lat), pokryte gładkim wodnym lodem wiek obszarów gęsto pokrytych kraterami szacuje się na kilka mld lat jądro skalne (gęstość ok 3 g/cm 3 ) o promieniu 170 km, powyżej lodowa skorupa o grubości ok. 80 km ciemniejsze tygrysie paski bogate w CO 2 i węglowodory (metan, etan, etylen) ç 504 km è

Enceladus okolice bieguna południowego znacznie cieplejsze gejzery H 2 O wyrzucające materię z prędkością do 500 m/s, 10% materii opuszcza księżyc ç 504 km è

Enceladus tygrysie paski korelują się z obszarami podwyższonej temperatury (nawet o 100 K), co pokazują obserwacje w podczerwieni Nie ma przekonywującej hipotezy tłumaczącej obserwacje. Sugeruje się m.in. kombinację energii cieplnej z rozpadu izotopów promieniotwórczych oraz pływów od Saturna i pobliskich Księżyców.

Mimas ç 397 km è promień biegunowy o 10% mniejszy niż równikowy relatywnie duży krater uderzeniowy Herschela o średnicy 130 km, pozostałość po zderzeniu, które prawie zniszczyło ten księżyc

Tetyda relatywnie duży wielopierścieniowy krater uderzeniowy Odyseusza o średnicy 450 km posiada księżyce trojańskie ç 1060 km è

Dione średnia gęstość wskazuje na znacznych rozmiarów skalne jądro pod warstwami lodu większa część powierzchni jest stara, gęsto pokryta kraterami niektóre obszary są wygładzone, z małą liczbą kraterów uderzeniowych możliwy efekt procesów kriowulkanicznych ślady zamierzchłej aktywności tektonicznej napędzanej zakumulowanym ciepłem z wnętrza, rozpadem izotopów promieniotwórczych, a także dynamiką rezonansu orbitalnego z Enceladusem posiada księżyce trojańskie ç 1118 km è

Rea ç 1528 km è powierzchnia stara, gęsto usiana kraterami uderzeniowymi struktura wewnętrzna jednorodna z dużym skalno-lodowym jądrem okrytym cienkim płaszczem lodowym

Hyperion jeden z największych nieregularnych księżyców (270 201 336 km) struktura zewnętrzna podobna do gąbki zamiast rotować koziołkuje (efekt nieregularnego kształtu, niekołowej orbity [e = 0,12] i rezonansu 4:3 z Tytanem) powierzchnia pokryta lodem wodnym i suchym, z domieszką węglowodorów mała gęstość (0,55 g/cm 3 ) świadczy, że ciało przypomina duży pumeks. Może to tłumaczyć kształt kraterów uderzeniowych, niespotykany na żadnym innym ciele US (uderzenie ściska materię) 270 201 336 km

Japet kształt podobny do orzecha włoskiego kilka basenów uderzeniowych wzdłuż równika stary pas gór o długości 1300 km, szerokości 20 km i wysokości do 13 km ciemne obszary odbijają zaledwie 4% światła (jasne 50%). Struktura kraterów uderzeniowych wskazuje, że warstwa ta jest cienka (do kilkudziesięciu cm). Prawdopodobnie jest to pył zakreowany po uwolnieniu z pobliskiej Febe ç 1436 km è

Febe obiega planetę w kierunku przeciwnym do jej rotacji, orbita nachylona pod kątem 27 względem płaszczyzny równika planety rotuje w ciągu 9 godz. (brak synchronizacji z okresem obiegu równym 18 miesięcy) mieszanina lodów (wodnego i suchego) z niewielką domieszką skał. Niskie albedo (6%) wskazuje, że powierzchnia pokryta jest warstwą związków węgla. 230 220 210 km