Aufbau des Saturn - Im Inneren des zweitgrößten Gasplaneten

Es wird angenommen, dass der Saturn ähnlich wie der Jupiter aufgebaut ist. Schließlich handelt es sich bei beiden Planeten um riesige Gasplaneten, wodurch diese Vermutung nahe liegend ist. Unterschiede gibt es allerdings bzgl. der Dicke der einzelnen Schichten und der Größe des Kerns. Zwar ist der Saturn nicht viel kleiner als der Jupiter, hat aber eine viel kleinere Masse vorzuweisen und ist wesentlich leichter. Zum Vergleich: Der Saturn hat etwa die 95-fache Erdmasse und der Jupiter hat die dreifache Masse des Saturns!

Im Großen und Ganzen besteht der Saturn aus Wasserstoff und Helium. Der Heliumanteil an der Masse liegt bei 11% und ist großteils in den äußeren Schichten des Planeten zu finden.

Interessant: Seine Größe und Masse führen zu einer Dichte des Saturns, die durchschnittlich geringer ist als die Dichte von Wasser! Anders ausgedrückt: Diese geringe Dichte des Saturns würde dazu führen, dass er auf einem Ozean schwimmen könnte, wenn er groß genug wäre.

Bei den Kenntnissen über den inneren Aufbau handelt es sich aber größtenteils um Annahmen, die lediglich auf Modellberechnungen und Computersimulationen basieren. Hierfür haben die Forscher das Gravitationsfeld der beiden Riesenplaneten herangezogen. Auf Grundlage der Flugbahnen der Raumsonden in deren Umgebung war ihnen dieses möglich. Insbesondere konnten dadurch Rückschlüsse auf die äußeren Schichten des Planeten gezogen werden. Da der Kern eines Planeten dessen Gravitationsfeld eher wenig beeinflusst, sind dadurch keine großen Erkenntnisse über diesen gewonnen worden.

Allerdings hat der Saturn noch sein, jedem Menschen bekanntes, Ringsystem zu bieten. Dieses bietet den Forschern auch die Möglichkeit Erkenntnisse über das Planeteninnere zu erlangen. So wurde mit Hilfe der amerikanischen Raumsonde "Cassini" (Einsatz zwischen 2004 bis 2017) herausgefunden, dass sich in den Ringen seismische Wellen ausbreiten. Diese scheinen ihren Ursprung in Schwankungen des Gravitationsfeldes des Saturns zu haben. Auf Basis der Daten anderer Planeten kann ein Abgleich vorgenommen werden, um dem tatsächlichen inneren Aufbau zu ermitteln.

So besteht der Saturn vermutlich aus folgenden Schichten:

1. Kern
2. Innerer Mantel / Metallischer Wasserstoff
3. Äußerer Mantel / Molekularer Wasserstoff
4. Atmosphäre

Außerdem verfügt er neben dem genannten Gravitationsfeld auch über ein Magnetfeld.

Hat der Saturn einen festen Kern?

Ob der Kern des Saturns fest oder flüssig ist beschäftigt die Forscher schon eine ganze Weile. Die Erkenntnisse über den Kern des Saturns haben sich jedoch im Laufe der Jahre stark verändert. Der Vollständigkeit halber werden hier die ursprüngliche Vermutung und auch die neue Vorstellung des Kerns vorgestellt:

Alte Theorie

Der Saturn besitzt laut der alten Theorie vermutlich einen metallreichen 16.000 km großen Gesteinskern, in dem auch Eis zu finden ist, einen sogenannten „Eis-Silikat-Kern“. Sein Durchmesser ist mit dem der Erde zu vergleichen. Also nicht mit dem Kern der Erde, sondern der gesamten Erde! Trotzdem ist der Kern des Jupiter sogar noch größer. Anhand von Computersimulationen wurde gemutmaßt, dass der Kern alleine wahrscheinlich über das 16-fache der Masse der Erde verfügt. Er macht damit ein Viertel der Gesamtmasse des Saturns aus! Man ging von einem schalenförmigen Aufbau aus.

In diesen Tiefen des Ringplaneten soll eine Temperatur von stolzen 12.000 °C herrschen, wodurch sich auch seine hohe Wärmestrahlung in Form von Infrarotstrahlung erklären lässt. Der Planet sendet tatsächlich etwa 2,3-mal mehr Energie aus, als er überhaupt von der Sonne erhält.

Aufgrund der Schwerkraft und des enormen Drucks, der auf ihn einwirkt, wird der Kern Stück für Stück immer weiter komprimiert. Er "schrumpft" also im Laufe der Zeit und fällt vielleicht irgendwann in sich zusammen.

Neue Theorie

Nach neuen Erkenntnissen ist der Kern sogar noch größer als es damals angenommen wurde. Er nimmt vermutlich stolze 60 % des Planetenradius ein. Von der ursprünglichen Vermutung, der Kern würde aus schweren Elementen bestehen und sich klar von den anderen Schichten aus Wasserstoff und Helium abgrenzen, sind die Forscher ebenfalls abgerückt.

Die Analyse der seismischen Wellenausbreitungen (Oszillationen) in den Ringen ergab, dass sich der Kern aus einem anderen Gemisch zusammensetzen muss und nicht völlig metallisch sein kann. Zur Analyse wurden Frequenzen der Eigenschwingungen des Saturns genutzt.

Noch dazu ändert sich seine Zusammensetzung graduell von innen nach außen. Neben den schweren Elementen sind auch Wasserstoff und Helium in ihm enthalten. Diese verdrängen wohl immer mehr das Gestein und Eis im Planeteninneren Der Übergang zur Planetenhülle findet nicht an einer abschließenden Grenze statt. Somit verläuft der Übergang zu den oberen Schichten eher "diffus" und es gibt keine saubere Trennung. Ganz im Gegensatz zu unserem Heimplaneten, wo sich der Erdkern eindeutig von der Hülle abgrenzt.

Der innere Aufbau des Saturn stellt die bestehenden Theorien und Modelle der Entstehung der Planeten auf den Kopf. Aber er liefert wertvolle Informationen darüber, wie sich in den Anfangszeiten des Sonnensystems der Saturnkern aus Gas, Staub und Gesteinsbrocken gebildet hat.

Innerer Mantel des Saturn - Gibt es ihn wirklich?

Früher nahm man an, dass es klar abgegrenzte Schichten gibt, die nach dem Kern folgen. Dies scheint laut den gewonnen Erkenntnissen aber nicht ganz der Wahrheit zu entsprechen. So wird der Kern zwar von flüssigem metallischem Wasserstoff, der sich wie Metall verhält, umgeben. Aber es gibt keinen klaren Beginn dieser und der darauf folgenden Schicht.

Zwischen dem eigentlichen Kern und der umgebenden Schicht soll es eine etwa 8000 km dicke Lage aus Hochdruckeis geben. Aufgrund des hohen Drucks verdunstet das Eis trotz der enormen Temperaturen nicht. Umgeben wird dieses Hochdruckeis von einer rund 14.000 km dicken Schicht aus heißen, flüssigen aber fast nur „leichten“ Gasen wie Methan, Helium und metallischem Wasserstoff. Der metallische Wasserstoff entsteht durch den hohen Druck, der ihn dazu zwingt den metallischen Aggregatzustand anzunehmen. Im Zusammenspiel mit der Rotation des Planeten entsteht durch den metallischen Wasserstoff auch das Magnetfeld des Planeten.

Statt vom "inneren Mantel" macht es mehr Sinn einfach nur von metallischem Wasserstoff zu sprechen.

Äußerer Mantel des Saturn - Molekularer Wasserstoff

Eine weitere, etwa 30.000 km dicke Schicht, die man als "äußeren Mantel" bezeichnen könnte, schließt sich an den metallischen Wasserstoff an. Sie besteht aus molekularem Wasserstoff gemischt mit Helium. Spuren von verschiedenen Eisarten sind dort ebenfalls vorhanden.

Der Übergang zwischen dem molekularen Wasserstoff und der gasförmigen Atmosphäre ist, wie auch beim anderen Gasplanet Jupiter, fließend. Bei den dort herrschenden Druckverhältnissen ist eine Unterscheidung zwischen flüssig und gasförmig nicht möglich. Als Gasplanet hat der Saturn keine erkennbare Oberfläche wie die Erde. Man definiert deshalb einfach den Bereich, indem ein Druck von 1 bar herrscht als seine Oberfläche. Die Temperatur beträgt dort etwa -140 °C.

Atmosphäre des Saturn

Die gasförmige Atmosphäre des Planeten ist mindestens 1000 km dick. Sie besteht zu 93-94 % aus Wasserstoff und zu 6-7 % aus Helium. Sie enthält Spuren von Methan, Ammoniak, Acetylen, Äthan, Propan und Methylacetylen, die den Wolken ihre Farbe verleihen. Damit handelt es sich um eine etwas andere Zusammensetzung als bei der Atmosphäre unserer Sonne und des Jupiters. Mit zunehmender Höhe geht sie aufgrund des hohen Drucks vom flüssigen in den gasförmigen Zustand über.

Winde und Strömungen auf dem Saturn

Die Atmosphäre rotiert am Äquator schneller als in höheren Breiten. Laut den gesammelten Daten der Voyager-Missionen muss die Windgeschwindigkeit in Äquatornähe ca. 500 m pro Sekunde betragen. Das entspricht wahnsinnigen 1800 km/h! Diese Winde wehen hauptsächlich in östlicher Richtung. Desto weiter man sich vom Äquator entfernt, desto schwächer wird der Wind. Allerdings gibt es weiter entfernt vom Äquator auch westliche Strömungen in der Atmosphäre. Anhand von Messungen der "Voyager 2"-Mission konnte auch festgestellt werden, dass die Winde der südlichen und nördlichen Hemisphäre symmetrisch zum Äquator verlaufen und vermutlich unterhalb der sichtbaren Atmosphäre miteinander verbunden sind.

Wolkenschichten des Saturn

Laut den bisherigen Beobachtungen besitzt der Saturn mindestens zwei verschiedene Wolkenschichten.

Die Wolken des unteren Teils der Atmosphäre bestehen aus Ammoniumhydrogensulfid (ein farbloses Pulver) oder Wasser. Diese untere Wolkenschicht ist nur im infraroten Bereich sichtbar, da der Saturn Wärme aus seinem Inneren abstrahlt. Sie wird aber sowieso von der oberen Wolkenschicht verdeckt.

Die detailarmen gelblich-braunen der oberen Wolkenschicht schließen sich der Atmosphäre an. Wolken in dieser Schicht enthalten überwiegend gefrorene Ammoniakkristalle (auskristallisiertes Ammoniak) und sind stärker ausgeprägt als die Wolken des Jupiters. Diese Wolkenschicht lässt sich gut beobachten, da sie das Licht der Sonne reflektiert. Außerdem weist sie gröbere Strukturen auf als die untere Schicht.

Die Ionosphäre des Saturn erstreckt sich bis zu etwa 50.000 km oberhalb der Wolkenzone, wobei die größte Teilchendichte in einer Höhe von 1200 und 1800 km zu finden ist. Über 60.000 km beträgt die Temperatur -180 °C.

Man könnte die Atmosphäre auch als dicht, wolkenverhangen und streifig beschreiben.

Magnetfeld des Saturn

Der Saturn weist wie auch viele andere Planeten ein Magnetfeld auf. Es entsteht wie beim Jupiter durch einen Dynamoeffekt in der Zirkulation von metallischem Wasserstoff und dem äußeren Kern.

Es erstreckt sich über 1.000.000 Kilometer in Richtung Sonne. Allerdings ist es nicht so stark wie das Magnetfeld des anderen Gasriesen Jupiter. An der Wolkenobergrenze hat dieses ungefähr die Stärke des irdischen Erdmagnetfeldes. Aufgrund der Größe des Saturns muss es aber theoretisch stolze 550-mal stärker als das Erdmagnetfeld sein, um in diesem Bereich noch solche eine Stärke vorzuweisen! Vergleichbar ist das Magnetfeld mit einem "Dipol", wie man ihn bei einem Stabmagneten findet.

Magnetosphäre des Saturn

Die Magnetosphäre bildet sich, wenn der Sonnenwind mit Überschallgeschwindigkeit auf das Magnetfeld des Saturns trifft. Dadurch findet eine Thermalisierung der Strömungsenergie des Sonnenwindes statt. Entdeckt wurde die Magnetosphäre im Jahr 1979 von der Raumsonde Pioneer-11.

Zwischen dem Sonnenwind und der Magnetosphäre gibt es noch ein Grenzgebiet namens "Magnetopause". Dieses befindet sich etwa 20 Saturn-Radien entfernt vom Zentrum der Magnetosphäre.Noch über 50 Saturnradien entfernt kann man die Magnetosphäre auf der sonnenabgewandten Seite nachweisen. Noch weitaus weiter wird wohl ihr Schweif in die Länge gezogen.