Astronomen weten al jaren dat er water was in de bovenste atmosfeer van Saturnus, maar ze wisten niet precies waar het vandaan kwam. Nieuwe waarnemingen hebben aangetoond dat er water op Saturnus regent en dat het uit de ringen van de planeet komt.
"Saturnus is de eerste planeet die een significante interactie vertoont tussen de atmosfeer en het ringsysteem", zegt James O'Donoghue, een postdoctorale onderzoeker aan de Universiteit van Leicester en auteur van een nieuw artikel in het tijdschrift Nature. "Het belangrijkste effect van ringregen is dat het de ionosfeer van Saturnus 'dooft', waardoor de elektronendichtheid in gebieden waar het valt sterk wordt verminderd."
Met behulp van de Keck Observatory ontdekten O'Donoghue en een team van onderzoekers geladen waterdeeltjes die uit de ringen van de planeet in de atmosfeer van Saturnus vielen. Ze ontdekten ook dat de omvang van de ringregen veel groter is en over grotere delen van de planeet valt dan eerder werd gedacht. Het werk laat zien dat de regen de samenstelling en temperatuurstructuur van delen van de bovenste atmosfeer van Saturnus beïnvloedt.
O'Donoghue zei dat het effect van de ring op elektronendichtheden belangrijk is omdat het verklaart waarom waarnemingen gedurende vele decennia hebben aangetoond dat elektronendichtheden op sommige breedtegraden bij Saturnus ongebruikelijk laag zijn.
"Het blijkt een belangrijke motor te zijn voor de ionosferische omgeving en het klimaat van Saturnus over de uitgestrekte delen van de planeet, ringdeeltjes die 200.000 kilometer boven ons liggen", zegt Kevin Baines, co-auteur van het papier, van het Jet Propulsion Laboratory. "De ringdeeltjes beïnvloeden welke soorten deeltjes zich in dit deel van de atmosferische temperatuur bevinden."
Aan het begin van de jaren tachtig lieten beelden van NASA's Voyager-ruimtevaartuig twee tot drie donkere banden op Saturnus zien en wetenschappers theoretiseerden dat water vanuit de ringen naar die banden zou kunnen stromen. Toen ontdekten astronomen die ESA's Infrared Observatory gebruikten de aanwezigheid van sporen van water in de atmosfeer van Saturnus in 1997, maar konden ze niet echt een verklaring vinden waarom het daar was en hoe het daar kwam.
Vervolgens vormden in 2011 waarnemingen met het Herschel-ruimtetelescoop vastgesteld waterijs van geisers op Enceladus een gigantische ring van waterdamp rond Saturnus.
Maar de banden die Voyager zag, werden ook pas in 2011 weer gezien, toen het team de planeet observeerde met Keck Observatory's NIRSPEC, een nabij-infraroodspectrograaf die een brede golflengtedekking combineert met een hoge spectrale resolutie, waardoor de waarnemers duidelijk subtiele emissies kunnen zien van de heldere delen van Saturnus.
Het effect van de ringregen treedt op in de ionosfeer van Saturnus (de aarde heeft een vergelijkbare ionosfeer), waar geladen deeltjes worden geproduceerd wanneer de anders neutrale atmosfeer wordt blootgesteld aan een stroom van energetische deeltjes of zonnestraling. Toen de wetenschappers het emissiepatroon van een bepaald waterstofmolecuul volgden dat uit drie waterstofatomen bestond (in plaats van de gebruikelijke twee), verwachtten ze een uniforme planeetbrede infraroodgloed.
Wat ze in plaats daarvan observeerden, was een reeks lichte en donkere banden met een patroon dat de ringen van de planeet nabootst. Het magnetische veld van Saturnus 'brengt' de waterrijke ringen en de watervrije openingen tussen de ringen in kaart op de atmosfeer van de planeet.
Ze vermoedden dat geladen waterdeeltjes uit de ringen van de planeet door het magnetische veld van Saturnus naar de planeet werden getrokken en de gloeiende triatomaire waterstofionen neutraliseerden. Dit laat grote 'schaduwen' achter in wat anders een planeetbrede infraroodgloed zou zijn. Deze schaduwen bedekken 30 tot 43 procent van het oppervlak van de bovenste atmosfeer van de planeet van ongeveer 25 tot 55 graden noorderbreedte. Dit is een aanzienlijk groter gebied dan gesuggereerd door de Voyager-afbeeldingen.
Zowel de aarde als Jupiter hebben een zeer uniform gloeiend equatoriaal gebied. Wetenschappers verwachtten dit patroon ook bij Saturnus, maar zagen in plaats daarvan dramatische verschillen op verschillende breedtegraden.
"Waar Jupiter gelijkmatig over zijn equatoriale gebieden gloeit, heeft Saturnus donkere banden waar het water naar binnen valt, waardoor de ionosfeer donkerder wordt", zegt Tom Stallard, een van de co-auteurs van het papier in Leicester. "We proberen deze functies nu ook te onderzoeken met een instrument op NASA's Cassini-ruimtevaartuig. Als we succesvol zijn, kan Cassini ons mogelijk in meer detail laten zien hoe water geïoniseerde deeltjes verwijdert, zoals veranderingen in de hoogte of effecten die met het tijdstip van de dag gepaard gaan. "
Bronnen: Keck Observatory
, Natuur.
