Voor een rotsachtige planeet kan het eenvoudig zijn om de lengte van een dag te vinden. Kies gewoon een referentiepunt en kijk hoe lang het duurt om uit beeld te draaien en dan weer in beeld. Maar voor planeten zoals Saturnus is het niet zo eenvoudig. Er zijn geen oppervlaktekenmerken om te volgen.
Wetenschappers hebben decennia lang geprobeerd de rotatieperiode van Saturnus te bepalen. Maar de gasreus aarzelde om zijn geheimen prijs te geven. Een nieuwe studie bij AGU'sJournal of Geophysical Research: Space Physics kan eindelijk het antwoord hebben. De studie is getiteld "Saturn's multiple, variable periodicities: A dual-flywheel model of thermosphere-ionosphere-magnetosphere koppeling."
Met een planeet als de aarde weten we wat we meten als we de rotatieperiode meten. We meten het oppervlak van de planeet. Maar voor een gasreus zijn de zaken complexer. Over welke laag van de planeet hebben wetenschappers het eigenlijk?
Saturnus is een meerlagige gasreus, waarschijnlijk met een rotsachtige kern. Die kern is omgeven door een laag ijs, vervolgens metallisch waterstof en helium. Dan een gebied met heliumregen, verder omgeven door een gebied met vloeibare waterstof. Dan komt er een groot gebied gasvormig waterstof. De bovenste atmosfeer van Saturnus bestaat uit drie lagen: bovenaan zijn wolken ammoniak, daaronder ammoniumhydrosulfide en daaronder wolken waterdamp.
Wanneer wetenschappers het hebben over de rotatieperiode van Saturnus, hebben ze het over de hogere atmosfeer. Het is het enige deel van de planeet dat echt kan worden gemeten.
Wetenschappers kijken naar de radiofrequentiepatronen die een gasreus uitzendt om de daglengte te bepalen. Het probleem met Saturnus is dat het alleen laagfrequente radiopatronen uitzendt die de atmosfeer van de aarde blokkeert. Dit staat in contrast met Jupiter, dat patronen met een hogere frequentie uitzendt die door de atmosfeer van de aarde gaan. Daardoor konden wetenschappers de rotatieperiode van Jupiter uitwerken vóór de komst van ruimtevaartuigen.
Saturnus moest wachten tot 1980 en 1981, toen Voyager 1 en Voyager 2 gegevens bezochten en verzamelden. Op dat moment maten ze de rotatieperiode op 10 uur en 40 minuten. Dat was op dat moment de beste meting die beschikbaar was, en hij bleef hangen. Twee decennia lang.
Maar toen bezocht Cassini Saturnus en bracht 13 jaar door met het bestuderen van het en zijn manen. Astronomen waren verbaasd toen ze ontdekten dat de rotatieperiode van Saturnus was veranderd. Cassini-gegevens toonden aan dat in de twintig jaar tussen Voyagers en Cassini - een onbeduidende hoeveelheid tijd in het leven van een planeet - de lengte van de dag was veranderd.
"Rond 2004 zagen we dat de periode met 6 minuten was veranderd, ongeveer 1 procent."
Duane Pontius van het Birmingham-Southern College in Alabama, studeer co-auteur.
Cassini toonde aan dat de rotatieperiode met 6 minuten of ongeveer 1 procent was veranderd.
"Rond 2004 zagen we dat de periode met 6 minuten was veranderd, ongeveer 1 procent", zegt Duane Pontius van het Birmingham-Southern College in Alabama, co-auteur van de nieuwe studie. 'Lange tijd ging ik ervan uit dat er iets mis was met de gegevensinterpretatie', herinnert Pontius zich. 'Het is gewoon niet mogelijk.'
Hoe verandert een hele planeet in zo'n korte tijd zijn rotatieperiode? Een verandering van die omvang zou honderden miljoenen jaren in beslag moeten nemen. Maar er was meer: Cassini mat ook elektromagnetische patronen die aantoonden dat de noordelijke en zuidelijke hemisferen verschillende rotatieperioden hadden.
De veranderende seizoenen van Saturnus
Pontius en de andere auteurs wilden begrijpen wat er was gebeurd en waarom er een discrepantie was in de metingen. Ervan uitgaande dat de Cassini-gegevens correct werden begrepen, moest er een reden zijn voor de verandering en voor het verschil tussen hemisferen. Ze besloten Saturnus te vergelijken met zijn naaste broer, Jupiter.
Een ding dat Saturnus heeft, zijn seizoenen. Saturnus heeft een axiale kanteling van bijna 27 graden, vergelijkbaar met de 23 graden kanteling van de aarde. Jupiter kan slechts drie graden worden gekanteld. Net als de aarde ontvangen de noord- en zuidhelften van Saturnus verschillende hoeveelheden energie terwijl ze om de zon draait.
Aan de buitenrand van de atmosfeer van Saturnus bevindt zich een plasmagebied. Pontius en de andere auteurs denken dat de verschillende hoeveelheid UV-energie die de hemisferen door de seizoenen bereikt, met dat plasma interageert. In het model dat ze hebben ontwikkeld, beïnvloeden de variaties in UV het plasma, waardoor er meer of minder weerstand ontstaat op het snijpunt van het plasma en de buitenatmosfeer.
De weerstand bepaalt de rotatie van de atmosfeer, zoals blijkt uit de emissie van radiogolven, en die rotatie verandert afhankelijk van het seizoen dat we observeren.
De weerstand van het plasma is wat de rotatie vertraagt, wat ons de rotatieperiode geeft die wordt gesignaleerd door de radio-emissies. Naarmate het seizoen verandert, verandert ook de plasmaweergave, evenals de radio-emissies. Nogmaals, het zijn de radio-emissies waarmee wetenschappers de rotatieperiode van Saturnus meten, aangezien er geen vaste oppervlaktekenmerken zijn.
Dit door Pontius en zijn collega's ontwikkelde model geeft een verklaring voor de verandering in rotatie die in de 20 jaar tussen de Voyagers en Cassini is waargenomen. Deze meting is echter alleen voor de oppervlaktelagen van Saturnus. De rotsachtige kern, die tussen 9 en 22 keer de massa van de aarde is, is verborgen en ondoorgrondelijk onder tienduizenden kilometers aan atmosfeer.
Meer:
- Persbericht: zin geven aan de onmogelijke rotatie van Saturnus
- Scientific Paper: Saturn's multiple, variable periodicities: A dual? Flywheel model of thermosphere? Ionosphere? Magnetosphere koppeling
- ESA Cassini-Huygens: Saturn's Atmosphere
