Het opstellen van een dagschema voor Saturn is niet zo eenvoudig als je zou denken.
Metingen die werden uitgevoerd met behulp van een NASA Cassini-ruimtevaartuig toonden aan dat een geringde planeet een langere dag heeft dan eerder werd gedacht. De eerste berekeningen van de duur van de dag op Saturnus werden meer dan 20 jaar geleden uitgevoerd met behulp van het Voyager 2. Om de rotatiesnelheid van Saturn nauwkeuriger te meten, gebruikte een groep wetenschappers een wiskundige benadering op basis van metingen van het zwaartekrachtsveld van de planeet.
"Hoewel een onnauwkeurigheid van 15 minuten klein lijkt in vergelijking met ongeveer 10, 5 uur, waarin Saturnus een draai om zijn as maakt, is het belangrijk om de snelheid te kennen," zei Ravit Helled, een vooraanstaand expert aan de Universiteit van Tel Aviv in Israël. "Om de rotatieperiode te kennen is belangrijk om de dynamiek van de atmosfeer en de interne structuur van de planeet beter te begrijpen."
Mysteries van beroep
Toen Voyager 2 in 1981 Saturn bezocht, toonde zijn metingen aan dat de planeet in 1 uur en 39 minuten een revolutie maakt. Maar toen Cassini voor het eerst in de vroege jaren 2000 naar Saturnus vloog, bleek dat de omlooptijd 10 uur en 47 minuten was, en deze waarde veranderde met elke nieuwe meting.
Gasreuzen zoals Saturnus hebben geen harde ondergrond, dus wetenschappers moeten op zoek naar andere benaderingen. Voyager en Cassini gebruikten de methode voor het meten van radiostraling, maar vanwege het feit dat de metingen voortdurend veranderden, werd hij onhoudbaar verklaard.
Radio-emissie is niet de enige methode om de rotatie van gasplaneten te meten. Voor planeten waarvan de magnetische pool niet samenvalt met de rotatieas, kunnen metingen van het magnetisch veld helpen om uit te vinden hoe snel de planeet roteert. Het magnetische veld van Saturnus valt echter samen met de rotatie-as, dus deze methode kan er niet op worden toegepast. De derde manier is om te meten hoe snel een wolk in de atmosfeer van Saturn zich om de planeet draait. De snelheid van de wolk zal echter niet noodzakelijk samenvallen met de rotatiesnelheid van de planeet, wat deze methode controversieel maakt.
Helled en haar team besloten om een meer wiskundige benadering te gebruiken voor het meten van de rotatiesnelheid van Saturnus. Het team berekende de rotatieperiode met behulp van coëfficiënten die het binnenste gedeelte van de planeet weergeven en zocht vervolgens naar een waarde voor de rotatieperiode die geschikt is voor de meeste berekeningen.
"We wilden niet dat de berekende periode volledig werd geassocieerd met de interne structuur, dus hebben we veel van de mogelijkheden in hun fysieke bereik in aanmerking genomen," zei Helled. "Er zijn veel betekenissen van conversiesnelheid, maar we ontdekten dat ze allemaal ongeveer dezelfde waarde hebben."
De theoretische waarde van de omlooptijd was 10 uur en 33 minuten, wat goed correleerde met eerdere meetresultaten.
Theorie Test
De nieuwe berekeningen waren gebaseerd op het nauwkeurig gemeten magnetische veld van de planeet. Toen Cassini rond Saturnus vloog, mat hij de impact van de planeet op een ruimtevaartuig, bepalend voor de toename of afname van de zwaartekracht. Hoewel veranderingen in zwaartekracht gebaseerd zijn op veranderingen in de interne structuur, heeft de wiskundige benadering van het team rekening gehouden met verschillen in de interne structuur die van invloed zijn op informatie over het zwaartekrachtsveld.
"Het voordeel van onze methode is dat het rekening houdt met de specifieke interne structuur van Saturnus, niet afhankelijk is van het windafhankelijke cloudtraject en ons in staat stelt om rekening te houden met een breed scala aan waarden binnen de gemeten fysieke eigenschappen van de planeet en hun onzekerheden," zei Helled. Om de berekeningen te verduidelijken, gebruikte het team ook metingen van de vlakheid van de planeet. Afvlakking komt voort uit het feit dat roterende lichamen bijna nooit ideale bollen zijn; hoe sneller ze roteren, hoe meer ze zich langs de evenaar uitstrekken. Helled benadrukte echter dat de wind ook de vlakheid beïnvloedt - sterke winden op de evenaar vergroten het.
Na theoretische berekeningen van de snelheid van de circulatie van Saturnus, schakelde het team over naar Jupiter, waarvan de circulatiesnelheid bekend is. Met dezelfde wiskundige benadering verkregen de onderzoekers een theoretische waarde van de snelheid van de circulatie, die samenvalt met de echte. Dit resultaat bevestigde hun methode. Helled noemt de resultaten van hun werk op Jupiter 'zeer inspirerend'.
Nieuwe, nauwkeurige bepaling van de circulatiesnelheid van Saturnus zal wetenschappers helpen de externe en interne structuur van de planeet te bepalen. Het zal helpen om de structuur te kennen van de protoplanetaire schijf waaruit de planeten zijn gevormd, evenals om het proces van vorming van gasreuzen te begrijpen. Het kan ook helpen bij het bestuderen van de atmosferische dynamiek.
"Deze waarde van de snelheid van Saturnus bevestigt dat de structuur van de breedtewinden meer symmetrisch is en zowel oosterse als westelijke orkanen bevat, zoals we op Jupiter zien," zei Helled.
