Saturn und die windigen Hinweise auf seine Rotation

Die genaue Rotationsperiode des Saturn ist ein schon lange ungelöstes Rätsel der modernen Planetologie. Ein neuer Ansatz zur Beantwortung dieser Frage setzt auf die Meteorologie des Planeten und schließt von den atmosphärischen Jetstreams des Saturn auf seine innere Struktur.

Ein Beitrag von Lars-C. Depka. Quelle: Department of Planetary Sciences, Lunar and Planetary Laboratory, University of Arizona, Tucson, Arizona,USA; Lars-C. Depka.

Die Kenntnis der detaillierten Rotationsperiode ist eine wichtige Größe. Sie gibt Aufschluss über die Entstehung, Evolution, die interne Dynamik und letztlich auch über die planeteneigene Meteorologie. Bei Gesteinsplaneten durch Verfolgung markanter Oberflächenmerkmale eine eher leichte Übung, gestaltet sich ihre Bestimmung bei den Gasriesen Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun schon um einiges schwieriger. Saturn gebärdet sich in dieser Frage traditionell schon immer am rätselhaftesten und in jüngster Vergangenheit wurde das unpräzise Verständnis der Umstände um seine Rotationsperiode nur noch offensichtlicher.
Durch Beobachtung der dynamischen Meteorologie des Saturn zur Bestimmung der Rotationsrate wird deutlich, dass sich auch seine Atmosphäre in ihren Rotationseigenschaften nicht wie ein solider Körper verhält und sich zumindest in diesem Punkt mit allen weiteren bislang untersuchten Atmosphären kongruent verhält. Gleichzeitig lassen sich in ihr mehrere Ost-West-Luftströmungen unterschiedlich starker Ausprägung nachweisen.

NASA
(a) Die Rotationsperiode des Planeten wurde klassisch anhand der Radio-Emissionsfrequenzen hergeleitet. Diese Messungen suggerierten lange ausschließlich ostwärts gerichtete Windströmungen, die in Abhängigkeit zum Breitengrad ihre Stärke ändern. (b) Aktuelle Erkenntnisse implizieren sowohl ost- als auch westwärts gerichtete Driften, deren Stärken ebenfalls variieren. (Durch die unterschiedliche Länge der Pfeile angedeutet.)
(Bild: NASA)

Im Bereich des Äquators umrundet die Luft den Saturn innerhalb von 10 Stunden und 12 Minuten ein Mal, wohingegen der Zeitfaktor in höheren Breitengraden um bis zu 30 Minuten gestreckt sein kann. Diese wolkenbasierten Windmessungen implizieren einen großräumigen äquatorialen Jet, der sich über ein Gebiet von etwa 30° nördlicher Breite bis hin zu ca. 30° südlicher Breite erstreckt. Verglichen mit denen höherer Breiten, liegen die in ihm gemessenen Windgeschwindigkeiten um bis zu 450 m/s höher.

Zusätzlich werden die atmosphärischen Regionen hoher Breiten in differential rotierende Bänder mit typischerweise um 100 m/s abweichenden Relativgeschwindigkeiten untergliedert. Doch wo liegt die tatsächliche Rotationsrate des Planeteninneren?

Neben der fließfähigen Natur der Tiefenatmosphäre des Ringplaneten sollten die durch das leitfähige Innere hervorgerufenen elektromagnetischen Kräfte die interne Rotation konstant halten. Doch liegt diese interne Rotationsrate dann über, unter oder im Mittel der weiten Bandbreite der durch Wolkenvermessungen abgeleiteten atmosphärische Rotation? Die möglichst genaue Lösung dieser Frage birgt nicht nur Hinweise auf den Aufbau der inneren Planetenstruktur, sondern liefert auch Lösungsmöglichkeiten im Hinblick auf die Problematik bezüglich der Ausrichtung der Jetstreams relativ zum Planetenkern, womit gleichzeitig ein Verstehen des Drehimpulsaustausches zwischen Atmosphäre und Planeteninnerem, der thermalen Strukturen unterhalb der Wolken, sowie des Formationsprozesses der Jets einhergehen dürfte.

NASA
Zu sehen ist hier graphisch die Winkelgeschwindigkeit einer „Long Wave“ genannten Strömung. Die „Diamanten“ stellen Messpunkte einer ansteigenden Rotationsperiode des Saturn dar, die „Sterne“ zeigen Vergleichswerte bei Jupiter. Der (Luft)Druck der untersuchten Systeme liegt bei 268 hPA (Jupiter) bzw. 236 hPa (Saturn)
(Bild: NASA)

Der Schlüssel zur Beantwortung dieser Problematik liegt für Jupiter, Uranus und Neptun in den Radioemissionen der Magnetosphären, also jenes Bereichs des Raumes nahe dem jeweiligen Planeten, in dem das planetare Magnetfeld über das des Solarwindes dominiert. Da die magnetischen Dipole der Planeten relativ zu ihrer Drehachse geneigt sind, nehmen die magnetosphärischen Emissionen eine Periodizität an, die beobachtet werden kann und mit deren Hilfe die Rotationsperiode des magnetischen Feldes – und mit ihr die des Planeteninneren, in dem das Feld ja generiert wird – bestimmt wird.

Saturns Magnetfeld nimmt jedoch nicht eine solche Neigung ein, sondern orientiert sich quasi nach „oben“ und „unten“, was einer hinreichend genauen Analyse entgegentritt. Nichtsdestoweniger wurden die periodischen Modulationen der Radiowellen des Saturn lange Zeit dafür verwandt, um die Rotationsrate des Planeten zu definieren, jedoch zeigten die Ergebnisse der 2007 veröffentlichten Studie Gurnetts eine Periodenvariation von etwa 1% innerhalb einer relativ kurzen Zeitspanne von nur einem Monat, was sie folgerichtig als Repräsentationsgröße der inneren Rotation als untauglich erscheinen lässt.

Weiter in Teil 2

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