Cassinis Saturnorbit Nummer 161

Am morgigen 16. Januar 2012 beginnt die Raumsonde Cassini ihren mittlerweile 161. Umlauf um den Planeten Saturn. Den Höhepunkt dieses 24 Tage dauernden Umlaufs bildet ein am 30. Januar 2012 erfolgender Vorbeiflug an dem Saturnmond Titan.

Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: CICLOPS, JPL, Planetary Society.

Am morgigen 16. Januar 2012 wird die Raumsonde Cassini auf ihrer elliptischen Umlaufbahn um den Saturn um 16:47 MEZ erneut die Apoapsis, den Punkt ihrer größten Entfernung zum Saturn, erreichen. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich Cassini in einer Entfernung von rund 2,9 Millionen Kilometern zu der obersten Wolkenschicht des Saturn und beginnt damit zugleich ihren mittlerweile 161. Umlauf um den Ringplaneten. Die Raumsonde wird sich auch in den kommenden vier Monaten weiterhin auf einer Orbitbahn bewegen, welche fast genau auf einer Ebene mit der Ringebene des Saturn sowie den Umlaufbahnen mehrerer größerer Saturnmonde verläuft.

Diese äquatoriale Flugbahn der Raumsonde – während des in wenigen Stunden beginnenden Orbits beträgt die Inklination lediglich 1,6 Grad – ermöglicht es den an der Mission beteiligten Wissenschaftlern unter anderem, die Kanten der Saturnringe abzubilden. Durch die Auswertung dieser Bilder ist es somit zum Beispiel möglich, deren vertikale Ausdehnung zu bestimmen. Zudem ist aus dieser Perspektive ein Blick auf die Wolkenschichten in der Saturnatmosphäre gegeben, welcher nur minimal durch das Ringsystem des Planeten oder einen von den Ringen auf den Saturn geworfenen Schatten beeinträchtigt ist. Außerdem ergibt sich bei dieser Bahn die Möglichkeit, sich im Rahmen eines einzigen Orbits gleich mehreren Saturnmonden zu nähern, deren Bahnen ebenfalls in der Äquatorebene liegen.

Wie bereits die vorherigen Umläufe wird auch der jetzt beginnende Orbit, er trägt die Bezeichnung “Rev 160”, von den an der Mission beteiligten Wissenschaftlern in erster Linie dazu genutzt werden, den Ringplaneten und den größten seiner 62 bisher bekannten Monde, den etwa 5.150 Kilometer durchmessenden Titan, mit verschiedenen Instrumenten zu untersuchen und aus unterschiedlichen Entfernungen mit der ISS-Kamera der Raumsonde abzubilden.

Momentan sind die für die Cassini-Mission verantwortlichen Techniker und Ingenieure des Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA in Pasadena/Kalifornien damit beschäftigt, ein kürzlich aufgetretenes Problem mit dem Kommunikationssystem der Raumsonde näher zu untersuchen. Ende Dezember 2011 konnte während eines Kommunikationsfensters kein Signal von Cassini empfangen werden. Offenbar ist ein im Haupt-Kommunikationssystem verwendeter hochstabiler Frequenzoszillator ausgefallen. Das verfügbare Backup-System gewährleistet allerdings eine stabile Kommunikationverbindung zur Erde. Über die genaue Ursache des Ausfalls ist bisher nichts bekannt. Allerdings, so das JPL, könnte das zunehmende Alter der Raumsonde eine Rolle spielen. Nach entsprechenden Tests wollen die verantwortlichen Missionsmanager Ende Januar entscheiden, ob das Hauptsystem erneut aktiviert werden kann.

Sollte dies nicht möglich sein, so hätte der Ausfall negative Auswirkungen auf zukünftige Radio-Science-Experimente. Durch die Verfolgung und anschließende Analyse der Ausbreitung von Radiowellen durch die dichten Atmosphären des Saturn und des Mondes Titan und durch das Ringsystem können Rückschlüsse über die dort vorherrschenden Dichten und Materialverteilungen gewonnen werden. Eine weitere Einsatzmöglichkeit stellt die Untersuchung des inneren Aufbaus der größeren Monde durch das Radio-Science-Subsystem (RSS) dar.

Während eines Vorbeifluges an einem Mond wird die Raumsonde durch die von diesem ausgehenden gravitativen Einflüsse minimal von der vorgesehenen Flugbahn abgelenkt. Diese Abweichungen machen sich in einem von Cassini ausgestrahlten Radiosignal durch eine Dopplerverschiebung bemerkbar. Durch die RSS-Messungen können Informationen über die innere Struktur der Monde wie zum Beispiel eventuell existierende Heterogenitäten und Massekonzentrationen gewonnen werden. Ein dauerhafter Ausfall des hochstabilen Frequenzoszillators würde zu deutlich schlechteren RSS-Daten führen.

Für das aus einer Telekamera (NAC) und einer Weitwinkelkamera (WAC) bestehende ISS-Kameraexperiment, einem von insgesamt 12 wissenschaftlichen Instrumenten an Bord von Cassini, sind während des 24 Tage dauernden Orbits insgesamt 60 Beobachtungskampagnen vorgesehen. Ein großer Teil dieser Beobachtungen wird dabei erneut das gewaltige Sturmgebiet zum Ziel haben, welches sich seit dem Dezember 2010 über der nördliche Hemisphäre des Saturn ausdehnt (Raumfahrer.net berichtete). Den Höhepunkt des gegenwärtigen Orbits bildet ein am 30. Januar 2012 erfolgender gesteuerter Vorbeiflug an dem Mond Titan.

Die ersten ISS-Kampagnen sollen einen Tag nach dem Beginn des neuen Umlaufs starten und werden die nördliche Saturnhemisphäre und das dortige Sturmgebiet zum Ziel haben. Hierbei sollen durch die Kameraaufnahmen weitere Daten über die gegenwärtige Ausdehnung des während der letzten Monate immer mehr an Stärke verlierenden Sturmgebietes sowie über die dort gegenwärtig vorherrschenden Windgeschwindigkeiten und -richtungen gesammelt werden. Bis zum 8. Februar sind insgesamt 33 dieser Sturmbeobachtungssequenzen vorgesehen.

Ebenfalls am 17. Januar steht zudem der Saturnmond Titan und dessen dichte Atmosphäre auf dem Beobachtungsprogramm der Kamera. Aus einer Entfernung von etwa 3,94 Millionen Kilometern soll der Bereich der Fenzal-Aztlan-Region abgebildet werden. Auch bei dieser “Titan Monitoring Campaign”, welche am 18. und 20. Januar fortgesetzt wird, steht die Beobachtung von Wolkenstrukturen und die Erforschung der meteorologischen Bedingungen im Mittelpunkt des wissenschaftlichen Interesses.

Auch in den folgenden Tagen wird sich die ISS-Kamera fast ausschließlich auf den Saturn und den Titan konzentrieren, wobei dieses Instrument teilweise zusammen mit anderen Analyseinstrumenten der Raumsonde eingesetzt werden soll. Am 23. Januar wird so zum Beispiel eines der an Bord von Cassini befindlichen Spektrometer, das Composite Infrared Spectrometer (CIRS), für einen Zeitraum von 22 Stunden auf den Saturn ausgerichtet werden und dabei die Verteilung von Aerosolen in dessen verschiedenen Atmosphärenschichten ermitteln. Die ISS-Kamera soll diese Messungen mit begleitenden Fotoaufnahmen unterstützen.

Nach dem Abschluss dieser Beobachtungskampagne wird sich die ISS-Kamera auf den Mond Siarnaq ausrichten und diesen über einen Zeitraum von 12 Stunden mehrfach abbilden. Außer den Daten von dessen Umlaufbahn um den Saturn, seinem Durchmesser von etwa 40 Kilometern und seiner im Vergleich zu den anderen kleinen Monden relativ hohen mittleren Dichte von 2,5 Gramm pro Kubikzentimeter, welche auf eine Zusammensetzung aus Wassereis mit einem hohen Anteil an Silikatgestein hindeutet, ist über diesem erst im Jahr 2000 entdeckten Saturnmond bisher nur sehr wenig bekannt.

Anhand der Variationen in der sich bei der Beobachtung am 24. Januar ergebenden Lichtkurve und dem Abgleich mit vorherigen Beobachtungen sollen dessen Helligkeitsvariationen und die sich daraus ergebende Rotationsperiode näher bestimmt werden. Diese Beobachtung ist ein Bestandteil einer langfristig angelegten Kampagne, in deren Verlauf mehrere der kleinen, äußeren Saturnmonde unter verschiedenen Beleuchtungsverhältnissen aus mehreren Millionen Kilometern Entfernung abgebildet werden.

Trotz der großen Distanz zwischen den Monden und der Raumsonde kann Cassini bei derartigen Beobachtungen neben den Rotationsgeschwindigkeiten der Monde wertvolle Daten über deren Ausdehnung, die sich daraus ergebende Gestalt und die Neigung der Rotationsachsen gewinnen. Entsprechende Ergebnisse wurden Anfang Oktober 2011 auf dem EPSC-DPS Joint Meeting 2011, einem internationalen Planetologen-Kongress, im französischen Nantes präsentiert.

Am 28. Januar wird Cassini um 19:30 MEZ die Periapsis, den Punkt der größten Annäherung an den Saturn, während ihres 161. Orbits erreichen. Zu diesem Zeitpunkt wird sich Cassini 206.310 Kilometer über der obersten Wolkenschicht des Saturn befinden. Während der Passage des Saturn ist eine durch die ISS-Kamera begleitete Beobachtung des Ringplaneten durch das Visual and Infrared Mapping Spectrometer (VIMS) vorgesehen. Neben der Temperaturbestimmung dienen diese Messungen der Suche nach Blitzen in der Saturnatmosphäre.

Zwei Tage nach dem Passieren der Periapsis erfolgt schließlich der zweite von insgesamt neun für das Jahr 2012 vorgesehenen gesteuerten, dichten Vorbeiflügen an diesem größten Saturnmond. Dieser als “T-81” bezeichnete Vorbeiflug, es handelt sich hierbei um den mittlerweile 82. Vorbeiflug der Raumsonde am Titan, wird allerdings in einer für einen gesteuerten Vorbeiflug relativ großen Entfernung stattfinden. Zum Zeitpunkt der größten Annäherung wird sich Cassini am 30. Januar um 14:40 MEZ in einer Entfernung von 31.131 Kilometern zur Mondoberfläche befinden. Die Überfluggeschwindigkeit wird 5,4 Kilometer pro Sekunde betragen.

Während der Anflugphase werden das CIRS und ein weiteres Spektrometer, das Ultraviolet Imaging Spectrometer (UVIS), auf den Mond gerichtet sein und dessen zu diesem Zeitpunkt nicht von der Sonne beleuchtete Nachtseite im UV- und Infrarotbereich untersuchen. Zum Zeitpunkt der dichtesten Annäherung werden dann allerdings die ISS-Kamera und das VIMS “übernehmen”. Beide Instrumente werden dabei im Rahmen einer etwa fünf Stunden andauernden Kampagne speziell auf die Region Ontario Lacus ausgerichtet sein. Hierbei handelt es sich um einen in der Südpolregion des Titan gelegenen See aus flüssigen Kohlenwasserstoffverbindungen – speziell Ethan und Methan (Raumfahrer.net berichtete).

Ontario Lacus verfügt über eine Fläche von etwa 15.000 Quadratkilometern. Im Vergleich mit irdischen Gewässern ähnlicher Ausdehnung scheint Ontario Lacus allerdings auffallend seicht auszufallen. Verschiedene Abtastungen mit dem RADAR-Instrument an Bord von Cassini, welche im Juli 2009 und im Januar 2010 erfolgten, ergaben eine durchschnittliche Tiefe des Sees von nur 0,4 bis 3,2 Metern bei einer Maximaltiefe von 2,9 bis 7,4 Metern. Dies führt zu einem geschätzten Volumen von nur 7 bis 50 Kubikkilometern, weniger als ein Dreißigstel des in Nordamerika gelegenen Ontariosees – dem Namensgeber des Ontario Lacus. Jegliche zu den Messzeitpunkten auf dem Ontario Lacus vorhandenen Wellen erreichten des Weiteren höchstens eine Höhe von einen Millimeter. Dies deutet entweder auf das Fehlen von nennenswerten Winden oder auf eine relativ dickflüssige Zusammensetzung der flüssigen Kohlenwasserstoffe im See hin.
Der Vorbeiflug “T-81” stellt die letzte Möglichkeit für Cassini dar, den Ontario Lacus mit den an Bord befindlichen optischen Instrumenten abzubilden, da sich die südliche Hemisphäre des Titan aufgrund des Wechsels der Jahreszeiten – Winter auf der Südhalbkugel, Sommer im Norden – während der nächsten Jahre in einer der irdischen Polarnacht vergleichbaren Phase befinden und dabei nicht von der Sonne beleuchtet sein wird. Deshalb wollen die Wissenschaftler diesen Vorbeiflug auch dazu nutzen, um nach weiteren, bisher noch nicht entdeckten Seen in dieser Region Ausschau zu halten. Nach dem Abschluss der Beobachtung des Ontario Lacus werden erneut das CIRS und das UVIS aktiviert und diesmal, unterstützt durch die ISS-Kamera, die Tagseite des Titan abbilden.

Nach dem Abschluss des Titan-Vorbeifluges wird die ISS-Kamera den Mond jedoch auch weiterhin im Auge behalten und zwischen dem 1. und dem 4. Februar mehrere Aufnahmen anfertigen, welche der Beobachtung des Wolkenzuges in der Titanatmosphäre dienen. Neben der Wolkenverteilung sollen dabei auch die vorherrschenden Windrichtungen und Geschwindigkeiten ermittelt werden.

Zum Abschluss des 161. Orbits von Cassini um den Saturn stehen ab dem 6. Februar die kleineren inneren Monde auf dem Arbeitsprogramm der ISS-Kamera, welche im Rahmen sogenannter astrometrischer Beobachtungen abgebildet werden sollen. Die Umlaufbahnen dieser kleinen und entsprechend massearmen Saturnmonde unterliegen einer permanenten gravitativen Beeinflussung durch den Saturn und dessen größeren Monden, was zu minimalen Veränderungen von deren jeweiligen Umlaufbahnen führen kann.

Das wissenschaftliche Ziel der anzufertigenden Aufnahmen der Monde Janus, Polydeuces, Epimetheus, Telesto und Prometheus bestand darin, die bisher verfügbaren Daten über deren jeweilige Umlaufbahnen noch weiter zu verfeinern. Die entsprechenden Fotosequenzen werden allerdings durchweg aus größeren Distanzen angefertigt, so dass im Rahmen dieser Beobachtungen keine Oberflächendetails der jeweiligen Monde aufgelöst werden können.

Cassini wird schließlich am 9. Februar 2012 um 13:16 MEZ in einer Entfernung von rund 2,9 Millionen Kilometern zum Saturn erneut die Apoapsis erreichen und den 161. Orbit um den Ringplaneten beenden. Während des damit beginnenden Orbits Nummer 162 wird am 19. Februar ein weiterer gesteuerter Vorbeiflug an dem Mond Titan erfolgen. Dieser wird dabei in einer Höhe von 3.803 Kilometern überfolgen werden. Außerdem wird sich das Augenmerk von Cassini während des Orbits Nummer 162 erneut auf den Saturn richten, welcher dabei aus unterschiedlichen Entfernungen mit den verschiedenen Instrumenten untersucht werden soll.

Die Mission Cassini-Huygens ist ein Gemeinschaftsprojekt der amerikanischen Weltraumbehörde NASA, der europäischen Weltraumagentur ESA und der italienischen Weltraumagentur ASI. Das Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA in Pasadena/Kalifornien, eine Abteilung des California Institute of Technology (Caltech), leitet die Mission für das Direktorat für wissenschaftliche Missionen der NASA in Washington, DC.

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