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Saturno

Trabajo realizado para la asignatura de CMC por:

Paula García Barahona

Elena Núñez Berrueco

Bachillerato 1º B

Curso 2011/2012

I.E.S Rey Pastor

 

 INDICE

1- Introducción

2- Características generales

3- Estructura interna

4- Atmósfera

5- Órbita

6- Satélites

7- Anillos

8- Magnetosfera

9- Exploración

10- Observación

 

1- Introducción

Saturno es el sexto planeta del sistema solar en orden de distancia al Sol, forma parte de los gigantes gaseosos (planetas exteriores) y es el planeta menos denso, pudiendo flotar en el agua. Constituye un cuerpo muy vistoso debido a sus anillos, visibles desde la Tierra. También es el planeta con más satélites. Presenta unas características muy similares a las del planeta inmediatamente anterior a él, Júpiter, por lo que en este trabajo realizaremos comparaciones entre ellos a menudo. Su forma es esférica, visiblemente achatada por los polos debido a su rápida rotación y en su superficie podemos observar suaves franjas.

 Su nombre proviene del dios romano Saturno, padre de Júpiter. Esto es debido a la lentitud de translación de Saturno, por lo que lo comparaban con un anciano. Antes de la invención del telescospio Saturno era el más lejano de los planetas conocidos. El primero en observar los anillos fue Galileo a comienzos del siglo XVII, pero la baja inclinación de los anillos y la baja resolución de su telescopio le hicieron pensar en un principio que se trataba de grandes lunas. Posteriormente se observaron con más detalle y, finalmente, se llego a la conclusión de que no eran un único cuerpo sólido, sino infinidad de partículas más pequeñas.

 

 

2-Características generales  

Saturno es el segundo planeta más grande del Sistema Solar y el único con anillos visibles desde la Tierra. Forma parte de los denominados planetas exteriores o gaseosos, también llamados jovianos por su parecido a Júpiter .Su atmósfera es de hidrógeno, helio y metano; y el interior está formado por hidrógeno líquido y metálico, responsable del intenso campo magnético de Saturno, y helio. Orbita el Sol a una distancia media de 1.430.000.000 kilómetros y tarda 29 años y 167 días en dar una vuelta a su alrededor. Su diámetro ecuatorial es de 120.000 kilómetros (unas 9 veces el diámetro de la Tierra) y presenta un volumen 740 veces mayor que el de nuestro planeta.

 Su aspecto es achatado por los polos, debido a su rápida rotación, que es algo superior a las 10 horas. Aunque su masa es 95 veces la de la Tierra, su densidad media es de tan sólo 0,7 gramos por centímetro cúbico, inferior a la del agua, por lo que Saturno flotaría. Esto se debe a la composición de este planeta, materiales ligeros de tipo solar, como son básicamente hidrógeno y helio.

El origen de los anillos de Saturno no se conoce con exactitud. Podrían haberse formado a partir de satélites que sufrieron impactos de cometas. Su elaborada estructura se debe a la fuerza de gravedad de los satélites cercanos, en combinación con la fuerza centrífuga que genera la propia rotación de Saturno.

Saturno posee un gran número de satélites: Titan Mimas, Encélado, Tetis, Dione, Rea, Titán, Hiperión, Jápeto y Febe. Otras 30 lunas de Saturno tienen nombre pero el número exacto de satélites es incierto.

 

3-Estructura interna

La estructura interna de Saturno es la siguiente: justo por debajo de la capa nubosa, atmosfera (30.000 km de hidrogeno y helio), se encuentra el hidrogeno liquido molecular y debajo de este el hidrógeno metálico.

En el centro de Saturno se han consolidado, probablemente, elementos pesados formando un pequeño núcleo rocoso a una temperatura cercana a los 15.000° C. Este núcleo (materiales helados acumulados en la formación temprana del planeta y que se encuentran en estado líquido en las condiciones de presión y temperatura cercanas al núcleo) tendría un radio de un 16% del total del planeta, aproximadamente el tamaño de la Tierra, aunque sería tres veces más masivo que ésta. Las corrientes eléctricas presentes en el hidrógeno metálico son las responsables del campo magnético del planeta. El eje del campo magnético de Saturno sólo está inclinado un grado respecto de su eje de rotación.

Saturno irradia más calor al exterior del que recibe del Sol. Una parte de esta energía está producida por una lenta contracción del planeta que libera la energía potencial gravitacional producida en la compresión, pero también con una fuente interna de energía porque su radiación infrarroja es superior en 2 a 3 veces a la radiación solar que absorbe. Se atribuye a esta fuente de calor el origen de la permanente circulación atmosférica pero no tiene suficiente masa para generar energía termonuclear, es decir, no es una estrella.

El origen de esta energía interior se cree que está en una lluvia gravitacional de helio hacia el núcleo que va liberando energía a medida que sus gotas rozan con el hidrógeno líquido.

 

Según  modelos teóricos  los materiales rocosos del interior de Saturno habrían sido la semilla original a cuyo alrededor se habrían agregado los materiales de la nebulosa originaria del Sistema Solar. Cabría la posibilidad de que este núcleo no fuese la semilla inicial de formación, sino que se hubiese formado posteriormente por decantación gravitatoria de materiales más densos. A presiones inferiores a los tres millones de atmósferas, el hidrógeno existiría en forma de líquido molecular y al ascender a la superficie, la temperatura y la presión irían descendiendo paulatinamente hasta pasar a hidrógeno gaseoso molecular que formaría la atmósfera.

 

4- Atmósfera

Superficie y composición.

La atmósfera de Saturno está básicamente compuesta por hidrógeno (88% en masa) y el helio (11%). Las nubes están formadas por cantidades muy pequeñas de otros elementos combinados con el hidrógeno, lo que forma compuestos como amoníaco, metano y fosfina. Los colores de un planeta dependen de las sustancias que presente su atmósfera. La atmósfera de Saturno posee un patrón de bandas oscuras y zonas claras similar al de Júpiter aunque con una distinción menos clara entre bandas -esto puede deberse a la cantidad de nubes que se forman a más profundidad- y con unos matices más tenues. Esto último debido a que la temperatura de Saturno es más baja que la de Júpiter. Por ello, los compuestos más coloreados se dan en capas más internas y no se ven. En los estratos superficiales se encuentran los hidrocarburos, de matices más delicados. En general, la superficie de Saturno está formada por bandas con algunos puntos más pequeños, siendo los colores dominantes el blanco, de las nubes de amoniaco y el ocre, del hidrosulfuro de amoniaco presente en las formaciones situadas un poco por debajo de las anteriores. Sobre las nubes de amoniaco parece extenderse una niebla uniforme sobre todo el planeta producida por fenómenos fotoquímicos en la atmósfera superior

Meteorología

Saturno radia más energía de la que recibe del Sol. Las nubes altas parecen estar formadas por  las corrientes de convección que se originan en la atmósfera, debidas a esta emisión de calor por parte del planeta.  Hay fuertes vientos en la dirección de los paralelos, altamente simétricos en ambos hemisferios. El viento está dominado por una intensa y ancha corriente ecuatorial a la altura de las nubes que puede llegar a alcanzar los 500 km/s. Sopla principalmente hacia el este, perdiendo velocidad a medida que nos alejamos del ecuador. A latitudes por encima de los 35 grados, los vientos alternan su dirección de este a oeste según aumenta la latitud. En las capas altas se forman auroras por la interacción del campo magnético planetario con el viento solar.

También debido a que su temperatura es menor que la de Júpiter, su meteorología es más calmada.  A diferencia de Júpiter, no son aparentes grandes vórtices estables aunque sí los hay más pequeños. Ocasionalmente, se producen tormentas que, si bien no son muy frecuentes, son mucho mayores que las de la Tierra y de mucha mayor duración (la más larga, registrada en 2009, se lleva el record con 9 meses de tormenta, lo que equivale a tres cuartos del año terrestre). Desde nuestro planeta estas tormentas se observan como manchas blanquecinas en la superficie de Saturno, Tras observaciones, se ha llegado a la conclusión de que las grandes tormentas se producen aproximadamente cada 30 años terrestres.

Las regiones polares presentan corrientes en chorro a 78ºN y 78ºS. En la década de 1980, a partir de las fotografías proporcionadas por el Voyager, los científicos descubrieron un elemento atmosférico extraño alrededor del polo norte de Saturno. Las bandas de nubes, a cierta distancia del polo, forman un enorme hexágono permanente. Saturno es el único planeta conocido que presenta un vórtice con estas características.

 

5- Órbita

Saturno gira alrededor del Sol a una distancia media de 1.418 millones de kilómetros en una órbita de excentricidad 0,056, que sitúa el afelio a 1.500 millones de km y el perihelio a 1.240 millones de km. El afelio es el punto en el que un planeta o un astro se halla más distante del Sol. El perihelio es el punto en el que se encuentra más cerca.

El periodo de traslación alrededor del Sol es de 29 años y 167 días, mientras que su período sinódico es de 378 días. Tiene un corto periodo de rotación, de 10 horas, 14 minutos, por ello se encuentra tan achatado.

Júpiter interfiere en los elementos orbitales de Saturno. Como el eje de Saturno está cambiando a medida que completa su órbita alrededor del Sol, se producen estaciones, como las de nuestro planeta, pero con una duración de 7 años.

 

6- Satélites

Saturno es el planeta con más satélites. Tiene 61 con órbita confirmada, pero el número total ronda los 200. Debido a la gran cantidad de cuerpos que orbitan este planeta, es difícil determinar cuáles son lunas y cuáles no.

Los satélites más grandes, conocidos antes del inicio de la investigación espacial son: Mimas, Encélado, Tetis, Dione, Rea, Titán, Hiperión, Jápeto y Febe. Sin embargo, hoy en día se

conoce un enorme número de ellos, con características muy diversas, por lo que se clasifican el los grupos que siguen:

Titán: El satélite más grande de Saturno, de tamaño   planetario. El único satélite con una atmósfera considerable.

Satélites medianos helados: De tamaño mediano, todos ellos descubiertos mediante observaciones telescópicas: Mimas, Encélado, Tetis, Dione, Rea, Hiperión y Jápeto. Presentan superficies compuestas por hielos, repletas de cráteres.

Satélites de anillo: Pequeños satélites que orbitan dentro de los anillos, creando regiones aparentemente limpias de material. Ejemplos son Pan y Dafne.

 Satélites pastores: Sus órbitas están cerca del sistema de anillos y contribuyen a modelar la estructura de estos. Ejemplos de este grupo son Prometeo y Pandora.

 Satélites troyanos: Orbitan a 60o de distancia de alguno de los satélites mayores. Por ejemplo, Telesto y Calipso, troyanos de Tetis.

Satélites coorbitales: Satélites que comparten la misma órbita, como Jano y Epimeteo.

 Satélites irregulares: Es el grupo más numeroso, cuyo miembro mayor es Febe. Generalmente son cuerpos atrapados por la atracción del planeta, de pequeño tamaño.

Satélites interiores menores: Satélites pequeños que orbitan entre Mimas y Encélado, como Metone y Palene. Recientemente descubiertos por la misión Cassini-Huygens, en la que también se han descubierto arcos de anillos orbitando junto a algunos de ésos satélites.

Características de principales satélites:

En general, la densidad de los satélites de Saturno es muy baja y, además, reflejan mucha luz. Esto hace pensar que la materia más abundante sea agua congelada (70% aprox.) y el resto, rocas.

Titán

Es el mayor de los satélites de Saturno y el segundo del Sistema Solar. Posee una densa atmósfera, formada por nitrógeno e hidrocarburos, que le dan un tono naranja. Su órbita está a 1.222.000 Km de Saturno y tarda en recorrerla 16 días. No presenta cráteres.

Rea

Tiene 1.530 Km. de diámetro y gira a 527.000 Km. de Saturno en 4,5 días. Tiene un pequeño núcleo rocoso. El resto es un océano de agua helada, con temperaturas que rondan los -200ºC. Los cráteres provocados por los meteoritos desaparecen pronto, al volverse a helar el agua.

Japeto

Tiene un aspecto extraño, ya que presenta cara oscura y otra clara. Su diámetro es de 1.435 Km. y gira a 3.561.000 Km., completando una vuelta en 79 días y un tercio.

 Dione y Tetis

Dos grandes satélites de Saturno, de tamaños semejantes y órbitas cercanas. El diámetro de Dione es de 1.120 Km. Y el de Tetis, 1.048. La primera gira a 377.000 Km. y la segunda a 295.000. Dione, al igual que la cercana Rea, presenta un hemisferio cubierto de cráteres y otro liso con regueros brillantes de origen desconocido.

 Mimas

El más alejado de estos, posee un diámetro de 398 kilómetros. Presenta un enorme cráter característico.

En la búsqueda de vida fuera de nuestro planeta cobran gran importancia Titán y Encélado. Titán posee una atmósfera rica en metano y similar a la de la primitiva Tierra. Por otra parte, en Encélado se deduce la posible existencia de agua líquida a poca profundidad, a partir de la emisión de vapor de agua en géiseres. De hecho, se han detectado partículas de agua en la atmosfera de Saturno, gracias al telescopio Herschel. Las últimas imágenes de este muestran que el agua proviene de unas fuentes situadas en el hemisferio sur del satélite. Estas emanan 250 kilos de agua por segundo, de la cual un 4%  llega a Saturno. Así, Encelado se convierte en el único satélite que influye en la composición química de su planeta.

 

7-Sistema de anillos  

La característica más notable de Saturno son sus anillos. Estos se extienden en el plano ecuatorial del planeta desde los 6630 km a los 120.700 km. El tamaño de cada una de las partículas varía desde partículas microscópicas de polvo hasta rocas de unos pocos metros de tamaño. Son relativamente modernos en la historia del Sistema Solar y al estar en el interior del límite de Roche los anillos no pueden evolucionar hacia la formación de un cuerpo mayor.

Hasta los años 1980 se explicaba la estructura de los anillos por las fuerzas gravitacionales ejercidas por satélites cercanos. Sin embargo, se encontraron estructuras radiales oscuras en el anillo B, llamadas cuñas radiales, que no podían ser explicadas de esta manera ya que su rotación alrededor de los anillos no era consistente con la mecánica orbital.

En 2009 se descubrió un nuevo y enorme anillo alrededor de Saturno, mucho más grande de los que le rodean y que se extiende de manera asimétrica en un radio entre 6 millones de kilómetros y 12 millones de kilómetros. Éste habría pasado desapercibido hasta ahora, debido a que se encuentra tan enrarecido que resulta casi invisible. Se despliega en el confín del sistema saturniano y se extiende hasta alcanzar 13 millones de kilómetros de diámetro. Uno de los más lejanos satélites de Saturno, Febe, orbita dentro del nuevo anillo, y probablemente sea la fuente de su composición.

Características de los anillos  

Las fotografías de las sondas Voyager y Cassini aportaron muchas novedades:

  • Existen desviaciones con respecto a la forma circular.
  • Aparecen nudos, trenzamientos  y torcimientos en el anillo F.
  • El anillo A presenta un brillo uniforme frente al anillo B que presenta variaciones.
  • En la parte exterior del anillo A existe un auténtico cinturón de "microlunas", cuyo tamaño oscila desde el de un camión pequeño al de un estadio probablemente causado por la destrucción de una luna pequeña.
  • Hay satélites pastores produciendo huecos en los anillos o fijando sus bordes.
  • Se descubrió un nuevo anillo, entre el Anillo F y el Anillo G. Los investigadores de la NASA aseguraron que el impacto de meteoros en esas lunas ha hecho que otras partículas se unan al anillo.
  • La nave Cassini desveló que existe algo similar a una atmósfera alrededor del sistema de anillos, compuesto principalmente de oxígen molecular.
  • Los anillos se distribuyen según la densidad. Los principales A y B separados por la division de cassini. En la aparte interior de B se distingue un anillo más tenue aunque extenso: C y otro anillo tenue y fino: D.
  • Tres anillos muy pálidos, E, F y G, que quedan fuera del anillo A.
  • Los anillos A, B y C: se piensa que están formados por hielo y  oxido de hierro.
  • Orden de los anillos (del mas pegado al núcleo al más alejado): D, C, B, División se Cassini, A, División de Encke, F, G, E.

 

 

8-Magnetosfera:

La magnetosfera de Saturno es una gran región que rodea el planeta donde partículas cargadas (protones y electrones) son atrapadas por el campo magnético. Los cinturones de radiación envuelven las órbitas de Titán y de los mayores satélites.

 El campo magnético de Saturno es 20 veces más débil que el de Júpiter,  sin embargo sigue siendo 1.000 veces mayor que el de la Tierra. Se cree que es producido por corrientes eléctricas en el líquido de hidrógeno metálico del interior .Las observaciones de la misión Pioneer determinaron que el campo magnético está prácticamente alineado con el eje de rotación del planeta, al contrario de lo que ocurre en la Tierra, Júpiter, Urano y Neptuno. Esto hizo revisar las teorías sobre el origen de los campos magnéticos ya no debía existir una desviación entre los ejes del campo magnético y el de rotación.

La magnetosfera de Saturno consta de un conjunto de cinturones de radiación en los que están atrapados electrones y núcleos atómicos. Los cinturones se extienden unos 2 millones de kilómetros desde el centro de Saturno, e incluso más, en dirección contraria al Sol, aunque el tamaño de la magnetosfera varía dependiendo de la intensidad del viento solar (el flujo desde el Sol de las partículas cargadas). El viento solar y los satélites y anillos de Saturno suministran las partículas que están atrapadas en los cinturones de radiación.

La magnetosfera gira de forma sincrónica con el interior de Saturno e  interactúa con la ionosfera, la capa superior de la atmósfera de Saturno, causando emisiones aurorales de radiación ultravioleta.

El campo magnético de Saturno, tal como sucede en la Tierra o en Júpiter, se forma en lo más profundo del interior del planeta. A medida que el interior de Saturno se enfría, el helio se condensa en su núcleo líquido. Esta condensación desprende calor que a su vez produce convección en el interior de Saturno. Esta convección es la que genera el campo magnético. Saturno genera ondas de radio, pero no tienen la fuerza suficiente como para que sean detectadas desde la Tierra.

La magnetosfera planetaria se forma cuando el viento solar (gas ionizado a velocidad supersónica procedente del Sol) alcanza un planeta dotado de un gran campo magnético. El campo magnético forma un escudo alrededor del planeta obligando al viento solar a fluir alrededor de la magnetosfera. En la región interior de la magnetosfera aparece el plasma generado por el campo magnético mientras que en el exterior el plasma dominante es el propio viento solar.

El campo magnético de planetas como la Tierra o Saturno es similar a un dipolo, polo norte y un polo sur. Un imán es un ejemplo de dipolo. El campo magnético de Saturno es como el de un dipolo, sin que exista un desplazamiento relevante entre el eje magnético y el de rotación. Esta alineación casi perfecta de los dos ejes es única entre los planetas. El dipolo terrestre tiene un desplazamiento de 11.4 grados y el de Júpiter de 9.6, mientras que en Saturno es inferior a un grado.

 

 

9-Exploración espacial de Saturno

Debido a las dificultades técnicas y económicas las misiones a Saturno han sido mediante naves  que pasaran cerca de Saturno sin quedarse en órbita y menos posarse en él. La NASA realizó solamente tres intentos entre 1973 y 1977: las misiones Pioneer 1, Voyager 1 y Voyager 2.

Sería imposible tener toda la información que actualmente se posee de Saturno, si no se hubieran enviado sondas espaciales. Tan enorme distancia hace muy complicado el control de la sonda, pues a medida que ésta se acerca a Saturno, las señales de radio tardan más de una hora en ir del Centro de Control a la sonda, y viceversa.

Al primer proyecto se le llamó Pioneer, que desarrolló 12 misiones. Una de ellas, la misión Pioneer 11 incluía un acercamiento a Saturno con el objetivo de estudiarlo de cerca (1973).En 1974, la Pioneer 11 atravesó con éxito el cinturón de asteroides y sobrevoló Júpiter. La nave Pioneer 11 continuó un largo viaje en dirección a Saturno y cinco años más tarde, llegó a las cercanías de Saturno donde tomó las primeras fotografías a corta distancia del planeta. El estudio de estas imágenes llevó al descubrimiento de dos nuevos satélites y de anillos adicionales. En 1977, la NASA lanzó una sonda espacial, la Voyager1.Cuando la sonda pasó cerca de Júpiter, el empuje gravitacional del planeta gigante aumentó la velocidad de la Voyager 1 y la lanzó rumbo a Saturno. Cuando la sonda pasó cerca de Saturno, se aprovechó el empuje gravitacional de este planeta gigante, para que la sonda continuara viaje hacia el exterior del sistema solar. Sus fotografías permitieron descubrir estructuras complejas en el sistema de anillos del planeta y valiosos datos de la atmósfera de Saturno y de su mayor luna, Titán. Desde mayo de 2005, la Voyager 1 continuó viajando por la última frontera del Sistema Solar. En el año 2011, la sonda se encuentra a más de 17.000 millones de km de la Tierra y se dirige hacia el centro de la Vía Láctea.

En el 1997 se decidió emprender la hazaña de instalar una nave en órbita alrededor de Saturno. Ahí terminaría el viaje de la Cassini-Huygens, sin continuar hacia el espacio interestelar como las tres sondas anteriores. La nave Cassini debía quedarse orbitando alrededor de Saturno y la sonda Huygens debía separarse de la nave y llegar hasta el suelo de Titán.

El 14 de enero de 2005, la sonda Huygens penetró en la atmósfera de Titán y descendió a su superficie. En junio del 2008, terminaba la misión inicial de Cassini. Pero el buen estado de la nave espacial ha permitido ampliar su misión hasta el año 2017, estudiando tanto el planeta como las principales lunas: Titán y Encelado.

 

Voyager 1

 

10-Observación de Saturno

Saturno es un planeta fácil de observar, pues es visible en el cielo la mayor parte del tiempo y sus anillos pueden observarse con cualquier telescopio de aficionado. En la oposición del 13 de enero de 2005, Saturno pudo verse con un máximo que no será igualado hasta 2031, debido a una orientación de sus anillos con respecto a la Tierra bastante favorable. Saturno se observa a simple vista en el cielo nocturno como un punto luminoso (que no parpadea) brillante y amarillento cuyo brillo varía normalmente entre la magnitud +1 y la 0; y toma aproximadamente 29 años y medio en realizar una traslación completa en su órbita con respecto a las estrellas de fondo pertenecientes al zodiaco. Los anillos contribuyen mucho a la luminosidad total: cuando se presentan orientados hacia la Tierra, Saturno resplandece mucho más intensamente.  El periodo de buena visibilidad dura unos 8 meses al año. El uso de prismáticos corrientes no nos proporciona buen detalle del planeta (semejante a los que poseía Galileo), así qué lo recomendable es el uso de telescopios.

La característica más espectacular del planeta son sus maravillosos anillos. El sistema de anillos convierte a Saturno en un astro único para la observación. Debido a que su eje de rotación se halla inclinado, presenta un aspecto cambiante año a año. Estos cambios de aspecto significan una dificultad adicional para el estudio de las formaciones del planeta. Cada año y trece días (378 días) Saturno se halla en oposición con el Sol, hallándose por tanto bien situado para ser observado desde la Tierra. 
  

 

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