För en stenig planet kan det vara enkelt att hitta en dagslängd. Välj bara en referenspunkt och se hur lång tid det tar att rotera ur synvinkeln och sedan tillbaka till sikten. Men för planeter som Saturnus är det inte så enkelt. Det finns inga ytfunktioner att spåra.
Forskare har tillbringat decennier för att bestämma Saturnus rotationsperiod. Men gasjätten har varit motvillig att avslöja sina hemligheter. En ny studie i AGU: sJournal of Geophysical Research: Space Physics kan äntligen ha svaret. Studien har titeln "Saturnus multipla, variabla periodiciteter: En dubbel svänghjulsmodell av termosfär-jonosfär-magnetosfärkoppling."
Med en planet som Jorden vet vi vad vi mäter när vi mäter rotationsperioden. Vi mäter planetens yta. Men för en gasjätten är saker mer komplexa. Vilket lager på planeten talar forskare egentligen om?
Saturn är en flerskiktsgasjätt, troligen med en stenig kärna. Den kärnan är omgiven av ett islager, därefter metalliskt väte och helium. Sedan ett område med heliumregn, vidare omgiven av en region med flytande väte. Sedan kommer en stor region med gasformigt väte. Saturnus övre atmosfär består av tre lager: överst finns moln av ammoniak, under det är ammoniumhydrosulfid, och under det är moln av vattenånga.
När forskare talar om Saturnus rotationsperiod talar de om den övre atmosfären. Det är den enda delen av planeten som verkligen kan mätas.
Forskare tittar på de radiofrekvensmönster som en gasgigant avger för att bestämma dess längd på dagen. Svårigheten med Saturnus är att den endast avger lågfrekventa radiomönster som jordens atmosfär blockerar. Detta är i kontrast till Jupiter, som avger högre frekvensmönster som passerar genom jordens atmosfär. På grund av detta kunde forskare uträtta Jupiters rotationsperiod innan rymdskeppet kom.
Saturn var tvungen att vänta till 1980 och 1981, då Voyager 1 och Voyager 2 besökte och samlade in data. Vid den tidpunkten mätte de rotationsperioden vid 10 timmar, 40 minuter. Det var den bästa tillgängliga mätningen på den tiden, och den fastnade. I två decennier.
Men sedan besökte Cassini Saturnus och tillbringade 13 år på att studera den och dess månar. Astronomer var förvånade över att se att Saturnus rotationsperiod hade förändrats. Cassini-data visade att under de tjugo åren mellan Voyagers och Cassini - en obetydlig tid i planetens liv - hade dagslängden förändrats.
"Cirka 2004 såg vi att perioden hade förändrats med 6 minuter, cirka 1 procent."
Duane Pontius från Birmingham-södra högskolan i Alabama, studerande medförfattare.
Cassini visade att rotationsperioden hade förändrats med 6 minuter, eller cirka 1 procent.
"Cirka 2004 såg vi att perioden hade förändrats med 6 minuter, cirka 1 procent," sa Duane Pontius från Birmingham-södra högskolan i Alabama, medförfattare till den nya studien. "Under lång tid antog jag att det var något fel med datatolkningen," erinrade Pontius. "Det är helt enkelt inte möjligt."
Hur förändrar en hel planet sin rotationsperiod på så kort tid? En förändring av den storleken bör ta hundratals miljoner år att inträffa. Men det fanns mer: Cassini mätte också elektromagnetiska mönster som visade att de norra och södra halvkulorna hade olika rotationsperioder.
Saturnus Changing Seasons
Pontius och de andra författarna ville förstå vad som hade hänt och varför det fanns en avvikelse i mätningarna. Förutsatt att Cassini-uppgifterna förstås korrekt, måste det finnas en anledning till förändringen och för skillnaden mellan halvkuglar. De bestämde sig för att jämföra Saturnus med dess närmaste syskon, Jupiter.
En sak som Saturnus har är säsonger. Saturnus har en axiell lutning på nästan 27 grader, vilket liknar jordens 23 graders lutning. Jupiter har bara en tre graders lutning. Precis som jorden får Saturns norr- och södra halvkulor olika mängder energi när den kretsar kring solen.
På den yttre kanten av Saturnus atmosfär är en region av plasma. Pontius och de andra författarna tror att den olika mängden UV-energi som når halvklotet under säsongerna interagerar med den plasma. I modellen de har utvecklat påverkar variationerna i UV plasma, vilket skapar mer eller mindre drag vid skärningspunkten mellan plasma och yttre atmosfär.
Dra är det som bestämmer atmosfärens rotation, som visas av radiovågutsläpp, och att rotationen förändras beroende på den säsong vi observerar.
Dra från plasma är det som bromsar rotationen, vilket ger oss den rotationsperiod som signaleras av radioutsläpp. När säsongen förändras, förändras plasmastrålningen, och det gör även radioutsläppen. Återigen är det radioutsläppen som forskare mäter Saturnus rotationsperiod med eftersom det inte finns några fasta ytfunktioner.
Denna modell som utvecklats av Pontius och hans kollegor ger en förklaring till den rotationsförändring som sågs under 20 år mellan Voyagers och Cassini. Denna mätning är dock endast för Saturnus ytskikt. Den steniga kärnan, som är mellan 9-22 gånger jorden, är dold och oöverträffad under tiotusentals kilometer atmosfär.
Mer:
- Pressmeddelande: Gör känsla för Saturnus omöjliga rotation
- Vetenskapligt papper: Saturnus multipla, variabla periodiciteter: En dubbel "svänghjulsmodell av termosfär" jonosfär "magnetosfärkoppling
- ESA Cassini-Huygens: Saturnus Atmosphere
