Saturn – Atmosphäre

Saturn ist mit gut 120.000 Kilometern Durchmesser der zweitgrößte Planet des Sonnensystems und besteht – wie Jupiter – ebenfalls hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium. Lediglich die Anteile sind etwas anders: Bei Saturn liegt der Wasserstoffanteil höher und der Heliumanteil niederiger als bei Jupiter. Das dritthäufigste Element ist Methan, dessen Anteil mit ungefähr 0,45 Prozent ein wenig höher ist als bei Jupiter. In geringen Spuren kommen einige andere chemische Elemente und Verbindungen vor, darunter vor allem Ammoniak, das sich in Form winziger Kristalle als gelblich-brauner Dunstschleier und Wolken nahezu über den gesamten Planeten verteilt. Aus diesem Grund erscheint der Gasriese auf Bildern auch nicht so detailreich wie Jupiter.

Hauptbestandteile der oberen Saturnatmosphäre (in Volumenprozent)
Wasserstoff 96,3 ± 2,4 %
Helium 3,25 ± 2,4 %
Methan 0,45 ± 0,2 %
Ammoniakverbindungen
Schwefelverbindungen
Sauerstoffverbindungen
Edelgase
sonstige Elemente
geringe Spuren
Saturns relativ homogenes Erscheinungsbild in natürlichen Farben (Courtesy of NASA / JPL / Space Science Institute)
Saturns relativ homogenes Erscheinungsbild in natürlichen Farben (Courtesy of NASA / JPL / Space Science Institute)

Oben: Die Raumsonde "Cassini" trat am 30. Juni 2004 in einen Orbit um Saturn ein und erforscht den Riesenplaneten, sein Ringsystem und seine Monde seitdem mit großem Erfolg. Die obige Aufnahme machte Cassini mit seiner Weitwinkel-Telekamera am 23. Juli 2008. Sie zeigt Saturn in seinen natürlichen Farben. Seine Atmosphäre zeigt nur wenig Abwechslung. Man erkennt mehrere verschiedene Wolkenbänder, die sich kaum voneinander unterscheiden, was ihre Farben betrifft. Manche erscheinen gelblich oder bräunlich, andere haben einen leicht grünlichen Farbton, aber alles in allem ist das Erscheinungsbild Saturns recht homogen.

Wolkenwirbel in Saturns oberer Atmosphäre (Courtesy of NASA / JPL / Space Science Institute)
Wolkenwirbel in Saturns oberer Atmosphäre (Courtesy of NASA / JPL / Space Science Institute)

Links: Während es für Amateurastronomen meist bei dem verwaschenen, strukturarmen Erscheinungsbild bleibt, können die Profis auf wesentlich leistungsfähigere Teleskope auf der Erde und Instrumente an Bord von Raumsonden zurückgreifen. Deren hohe Auflösung ermöglicht es den Wissenschaftlern, die sonst kaum sichtbaren, aber dennoch vorhandenen Strukturen genauer zu untersuchen. Die nebenstehende Aufnahme stammt vom Cassini-Orbiter und zeigt den Gasriesen aus einer Entfernung von 1,5 Millionen Kilometern. Die Sonde befand sich etwa 18 Grad über der Ringebene von Saturn. Man erkennt zahllose kleinere Wolkenwirbel in den nördlichen und südlichen Breiten, die mit Größen von einigen hundert Kilometern aber kein Vergleich zu den Sturmsystemen Jupiters sind. Es gibt allerdings ein paar Ausnahmen: Zum einen bildet sich ungefähr alle 29 Jahre ein Großer Weißer Fleck in der nördlichen Hemisphäre von Saturn, den man durchaus mit Jupiters berühmtem "Wahrzeichen", dem Großen Roten Fleck, vergleichen kann. Da diese Zeitspanne sehr genau einem Saturnjahr entspricht, liegt die Vermutung nahe, dass es sich dabei um einen periodischen Effekt handelt, ausgelöst durch die Stellung Saturns zur Sonne.

Sturmsystem auf Saturn (Courtesy of NASA / JPL / Space Science Institute)
Sturmsystem auf Saturn (Courtesy of NASA / JPL / Space Science Institute)

Oben: Eine weitere Ausnahme sind große Sturmsysteme wie das hier gezeigte Exemplar. Sie entstehen gelegentlich, sind dann aber mit einigen Monaten Lebensdauer verhältnismäßig stabil. Das Bild oben links machte Cassini drei Monate, nachdem man durch Radiowellenausbrüche auf den Sturm aufmerksam geworden war. Die Radiowellen entstehen durch starke elektrische Entladungen im Inneren des Sturmsystems. Dem Cassini-Team zufolge ist die Sturmformation eine vertikale Turbulenz, die sich von den unteren Atmosphärenschichten in die hochliegenden Schichten erstreckt und dabei den Dunstschleier aus Ammoniakkristallwolken durchstößt. Auf der farboptimierten und geschärften Aufnahme oben rechts erkennt man das Sturmsystem noch deutlicher – einzelne Strukturen werden sichtbar.

Die Beobachtung weniger langlebiger Sturmsysteme gestaltet sich aber auch mit Raumsonden oft problematisch. Die Flugbahnen von Planetenerkundungssonden sind meistens über Monate im Detail berechnet. Daher ist es nicht immer möglich, die Instrumente spontan auf eine kürzlich entstandene Formation – zum Beispiel einen Sturm – auszurichten. Diesbezüglich leisten Amateurastronomen einen wichtigen Beitrag: Sie sind nicht von Zeitplänen abhängig und können die Profis rechtzeitig über neue interessante Entwicklungen informieren.

Sturmsystem auf Saturn (Courtesy of Christopher Go / NASA / JPL-Caltech / GSFC)
Sturmsystem auf Saturn (Courtesy of Christopher Go / NASA / JPL-Caltech / GSFC)

Oben: Ein gutes Beispiel für die Zusammenarbeit zwischen Amateurastronomen und den Profis: Im Februar 2010 entdeckten die Amateurastronomen Anthony Wesley (Australien), Trevor Barry (Australien) und Christopher Go (Philippinen) auf ihren Bildern Anzeichen für ein Sturmsystem, das offenbar noch nicht lange existent gewesen sein konnte. Sie schickten die Aufnahmen an das Cassini-Team, das sie intensiv betrachtete. Mit Hilfe der Aufnahmen konnte man das Infrarotspektrometer von Cassini genau auf das Sturmsystem ausrichten und erhielt so eine Flut von Daten, die Aufschluss über die dort ablaufenden Prozesse gaben. Demnach transportierte der Sturm große Mengen Gas aus den unteren Atmosphärenschichten in die höher gelegenen Schichten. Auch die Temperaturverteilung innerhalb der Sturmformation konnte analysiert werden. Die roten Markierungen stellen das Blickfeld des Infrarotspektrometers dar.

Saturns Südpolarwirbel (Courtesy of NASA / JPL / University of Arizona)
Saturns Südpolarwirbel (Courtesy of NASA / JPL / University of Arizona)

Links: Die mit Abstand größten Sturmsysteme treten jedoch in den Polarregionen Saturns auf. Der Cassini-Orbiter machte die beiden Aufnahmen am 11. Mai 2007. Sie umfassen die gesamte Südpolarregion des Gasriesen, und nicht nur einen kleinen Ausschnitt des Sturmsystems. Das obere Bild zeigt die Region in Falschfarben, wobei Rot-, Grün- und Blaufilter benutzt wurden. Die ozeanfarbenen Bereiche etwas abseits des Pols entstehen durch das Zusammenwirken von Grün- und Blaufiltern und deuten auf hellen Dunst und Wolkengebiete in den oberen Atmosphärenschichten hin. Demzufolge gibt es direkt über dem Pol keine großflächigen Areale mit hochliegenden Dunst- oder Wockenschichten. Starke abwärtsgerichtete Winde und Wechselwirkungen mit Aerosol-Partikeln verhindern offenbar die Ausbildung stabiler Wolkenschichten ab einer bestimmten Höhe. Deswegen kann in den Polgebieten Saturns so tief in dessen Atmosphäre geschaut werden, wie nirgendwo sonst auf seinem Globus. Das untere Bild ist eine Schwarzweiß-Aufnahme von Wellenlängen im Nahinfrarotbereich. Die Hitzeentwicklung aus Saturns Zentrum erzeugt in diesem Bereich des Spektrums ein "internes" Leuchten, vor dessen Hintergrund sich die Wolkenformationen als dunkle Silhouetten abheben.

Detailaufnahme von Saturns Südpolarwirbel (Courtesy of NASA / JPL / Space Science Institute)
Detailaufnahme von Saturns Südpolarwirbel (Courtesy of NASA / JPL / Space Science Institute)
Saturns Südpolarwirbel (Courtesy of NASA / JPL / Space Science Institute)
Saturns Südpolarwirbel (Courtesy of NASA / JPL / Space Science Institute)

Oben: Detailaufnahmen des etwa 8.000 Kilometer großen Südpolarwirbels, dem zweitgrößten Sturmsystem auf Saturn. Auf dem linken Foto erscheint er bedingt durch die Perspektive der Cassini-Sonde als dunkle, ovale Formation in der Bildmitte. Die Ursache der "körnigen" Bildstruktur ist der Umstand, dass die Kamera zu dem Zeitpunkt im oberen Grenzbereich der registrierbaren Wellenlängen arbeitete. Nahe dem Zentralbereich des Wirbels erkennt man scheinbar einige lockere Wolkenformationen. Auf dem Foto oben rechts sieht man den Südpolarwirbel hochaufgelöst und digital nachbearbeitet, um dem Betrachter die Perspektive einer frontalen Draufsicht zu geben. In dieser Perspektive kommt die leicht sechseckige Form des Wirbels besser zur Geltung.

Die Strukturen, die im linken Bild noch wie lockere Wolkenformationen aussahen, entpuppen sich nun als kräftige Konvektionsströmungen im Zentralbereich des Wirbels, wo sie einen zweiten, inneren Ring bilden. Im Nordwesten hat sich eine starke Strömung gebildet, welche in eine größere Höhe gelangen konnte und einen eigenen kleinen Sturmwirbel erzeugt. Der Südpolarwirbel hat viele Gemeinsamkeiten mit irdischen Hurrikanes. Die Konvektionsströmungen erinnern beispielsweise an die innere Grenze zum Auge eines terrestrischen Wirbelsturms. Der Südpolarwirbel ist natürlich wesentlich größer und bleibt stabil an seinem Ort.

Infrarotbild von Saturns Nordpolarwirbel (Courtesy of NASA / JPL / GSFC / Oxford University)
Infrarotbild von Saturns Nordpolarwirbel (Courtesy of NASA / JPL / GSFC / Oxford University)

Links: Am Nordpol des Planeten befindet sich ein ähnlicher Wirbel. Seine sechseckige Form ist aber stärker ausgeprägt und er ist mit 25.000 Kilometern Durchmesser viel gewaltiger. Auf dem Infrarotbild ist die sechseckige Form sehr gut zu erkennen und auch der "Hot Spot" in seinem Zentrum springt einem förmlich ins Auge. Die Existenz dieses Hot Spots ist ungewöhnlich, denn auf der Nordhalbkugel Saturns herrscht derzeit Winter – fast zehn Jahre lang. Dadurch sind die dortigen Temperaturen viel kleiner, was die Enstehung von verhältnismäßig warmen, zyklonischen Stürmen eigentlich erschweren sollte. Das Infrarotspektrometer von Cassini registrierte Temperaturen zwischen -200 und -190 Grad Celsius in der Schicht, die einen Druck von ungefähr 100 Millibar aufweist. Das ist die obere Grenze der Konvektionsströmungen. Die Wolkenbänder von Saturn sind im sichtbaren Lichtspektrum viel schwerer zu differenzieren als in Wellenlängen, die dem infraroten Lichtspektrum zugeordnet werden. Im Infrarotbereich können die Instrumente die Dunstschichten durchdringen und die Wärmestrahlung der Wolkenbänder erfassen.


Videobeitrag über die Polarlichter auf Saturn (Courtesy of NASA / JPL / Caltech)
Oben: Ähnlich wie bei Jupiter lassen sich auch in den Polarregionen Saturns sehr intensive Polarlichter (Auroras) erkennen. In bestimmten Wellenlängen ist sogar die Beobachtung von der Erde aus möglich, zum Beispiel mit dem Weltraumteleskop Hubble. Die leistungsfähigen Kameras der Cassini-Sonde erlaubten erstmals die genaue Analyse der Polarlichter im sichtbaren Lichtspektrum, was viele neue Erkenntnisse über die betreffenden Interaktionen einbrachte.

Nordpolarlicht auf Saturn (Courtesy of NASA / JPL / University of Arizona)
Nordpolarlicht auf Saturn (Courtesy of NASA / JPL / University of Arizona)

Links: Dieses Komposit besteht aus zwei Aufnahmen, welche die Cassini-Sonde mit ihrem Visual and Infrared Mapping Spectrometer (VIMS) gemacht hat. Die bläuliche Aurora wurde am 10. November 2006 aus über einer Million Kilometer Entfernung im nahinfraroten Licht fotografiert. Die rötlich erscheinenden Wolken in den unteren Atmosphärenschichten fotografierte das Instrument am 15. Juni 2008 aus gut 600.000 Kilometern Abstand in anderen Wellenlängen. Den Lichterkranz kennt man auch von irdischen Polarlichtern, wenn auch in viel kleinerem Maßstab. Neu sind allerdings die Polarlichter, die innerhalb des Ringes auftreten. Damit hat Cassini die Wissenschaftler verblüfft, weil sie nicht damit gerechnet hatten, dass die Polarlichter auch so nah am Pol selbst auftreten. Deren Größe und Intensität sind mit den Polarlichtern auf Jupiter vergleichbar. Die Ergebnisse der Cassini-Mission helfen auch dabei, die Vorgänge auf der Erde besser zu verstehen.

Südpolarlicht auf Saturn (Courtesy of NASA / JPL / ASI / University of Arizona / University of Leicester)
Südpolarlicht auf Saturn (Courtesy of NASA / JPL / ASI / University of Arizona / University of Leicester)

Links: Ebenfalls von Cassini stammt diese Serie von Einzelaufnahmen im Nahinfrarot-Bereich. Das Spektrometer registrierte Strahlung, die von angeregten Wasserstoff-Ionen emittiert wurde (hier in grün dargestellt). In blauen Bereichen wird Sonnenlicht an hochliegenden Dunst- und Wolkenschichten reflektiert. In rot wird die thermale Signatur der Wolkenbänder und Sturmsysteme angezeigt. Die dunklen Flecken sind Wolken und kleinere Stürme, die durch die innere Wärmestrahlung Saturns von unten angeleuchtet werden und daher als Silhouetten in Erscheinung treten.

Zwei Bilder der nördlichen Aurora Saturns (NASA / ESA and the Cassini UVIS team)
Zwei Bilder der nördlichen Aurora Saturns (NASA / ESA and the Cassini UVIS team)


Oben: Diese zwei Aufnahmen des nördlichen Polarlichts von Saturn stammen von der Raumsonde Cassini. Die Auswertung der von Cassini gesammelten Daten ergab, dass der Raumsonde erstmals gleichzeitige Messungen der Aurora und der elektrischen Ströme geglückt waren. Da diese elektrischen Ströme die Magnetosphäre des Ringplaneten mit seiner oberen Atmosphäre verbinden und dort die Polarlichter erzeugen, ist das ein bedeutender Fortschritt, der zu einem besseren Verständnis dieser komplexen Vorgänge führen könnte. Man konnte beispielsweise die Bewegung der ovalen Aurora am Nordpol des Planeten verfolgen und zu der schnellen Rotationsperiode des Planeten in Bezug setzen.