Proračun veličine Saturnovog prstena

Nives Orlić Mentor: Vanesa Ujčić Ožbolt

OŠ Trsat, 8. razred

1

1. Općenito o Saturnu

Najpoznatiji po svojim prstenovima, Saturn je za mnoge najljepši planet Sunčevog

sustava. Prvi ih je zapazio Galileo Galilei, no zbog nesavršenosti prvih teleskopa astronomi

isprva nisu bili sigurni što okružuje planet Saturn. Udaljen je od Sunca prosječno 1,427

milijardi km odnosno 9,539 a.j. Ta udaljenost varira od 1,347 milijardi km u perihelu do

1,507 milijardi km u afelu. To znači da, kada bi srednja udaljenost Zemlje i Sunca iznosila 1

metar, Saturnova udaljenost bi varirala od 9 do 10,07 m. Jedan Saturnov obilazak oko Sunca

traje 10.759 dana tj. 29,46 godina. Nagib Saturnove putanje prema ravnini ekliptike iznosi

2,489°, a nagib njegovog ekvatora prema ravnini gibanja iznosi 26°44'.

Saturn

2

Usporedba veličine Saturna i Zemlje

Saturn je najspljošteniji od svih planeta: njegov ekvatorijalni promjer iznosi 120.660 km

i za čitavih 13.031 km je veći od polarnog. Razlika je veća od cijelog Zemljinog promjera. To

znači da, kada bismo na jedan od Saturnovih polova postavili Zemlju, zbroj Zemljinog

promjera i Saturnovog polarnog promjera bi još uvijek za skoro 300 km bio manji od

Saturnovog ekvatorijalnog promjera! Još jedna Saturnova posebnost je najmanja srednja

gustoća od svih planeta: Saturn ima srednju gustoću manju od srednje gustoće vode.

Opći podaci o Saturnu

3

Pored Saturna su proletjele tri letjelice: Pioneer 11 (rujan 1979.), Voyager 1 (studeni

1980.) i Voyager 2 (kolovoz 1981.), a sonda Cassini koja je Saturna stigla 2004. godine ostala

je u orbiti oko njega kao njegov umjetni satelit.

Saturn snimljen iz letjelice Voyager 1. Vide se i sateliti Tetis (gore) i Dione

Saturnova građa slična je kao i Jupiterova: pretežno se sastoji od vodika i helija, a udio

težih elemenata iznosi tek 2%. Budući da je građen od plinova, to znači da nema krutu

površinu poput planeta Zemljine grupe. "Površinu" koju vidimo čine oblaci u atmosferi. Osim

vodika i helija, u atmosferi su mu u sasvim malim količinama pronađeni metan, amonijak,

ugljični monoksi, etan itd.

Gustoća i tlak rastu prema unutrašnjosti planeta. Kako mu je masa manja nego

Jupiterova, tlak sporije raste s dubinom. U jezgri planeta, čiji polumjer iznosi nešto manje od

polovice polumjera planeta, vladaju temperature preko 10.000°C i tlakovi od više milijuna

bara. U takvim uvjetima vodik se nalazi u agregatnom stanju koje se naziva tekući metalni

vodik; gustoća vodika u takvom stanju vrlo je velika i ujedno je električki vodljiv poput

4

metala. Smatra se da u samom središtu planeta postoji mala stjenovita jezgra promjera 10.000

km. Najveći dio volumena planeta zauzima plašt od tekućeg vodika.

Zbog plinovite građe, za Saturn (i za sve plinovite planete) je karakteristična zonalna

rotacija, što znači da svi njegovi dijelovi nemaju isti period rotacije (kao što je slučaj kod

čvrstih tijela). Prosječan period vrtnje Saturnovog ekvatorskog područja je 10 sati i 14 minuta,

dok dijelovi bliži polovima rotiraju nešto sporije. Brza vrtnja, različit period vrtnje pojedinih

dijelova, strujanja suprotnih smjerova u atmosferi i sl. dovode do burnih vrtložnih gibanja,

tzv. valova i pjega, i do jakih vjetrova. Uočavaju se svjetlije zone (nakupine oblaka) i tamniji

pojasevi (sloj ispod oblaka), no kako se u gornjim slojevima atmosfere nalazi sloj sumaglice

koja ometa pogled prema donjim oblačnim slojevima, zone i pojasevi nisu toliko kontrastni

kao na Jupiteru.

Saturn snimljen iz letjelice Cassini

5

2. Saturnovi prstenovi

Saturnovi prstenovi imaju složenu strukturu od mnoštva koncentričnih prstenova.

Veličina tijela koja ih čine kreće se od zrnca prašine do stijena veličine nekoliko desetaka

metara. Površina većih tijela je ledena, dok se manja vjerojatno cijela sastoje od leda.

Procjenjuje se da je ukupna masa tijela koja čine prstenove oko 1.000 puta manja od

Mjesečeve. Unutarnji polumjer Saturnovih prstenova iznosi 73.000 km, a vanjski 137.000 km;

to su vrijednosti za dio prstena koji je vidljiv sa Zemlje, dok su stvarne dimenzije nekoliko

desetaka tisuća kilometara veće. Debljina prstenova iznosi tek nekoliko desetaka kilometara;

ako zamislimo Saturnove prstenove kao krug od papira promjera 1 metar, debljina papira

mora iznositi 0,1 mm da bismo imali pravi odnos promjer-debljina. Kada je međusobni

položaj Zemlje i Saturna takav da se položaj prstenova poklapa s doglednicom, Saturnove je

prstenove nemoguće uočiti jer su tako tanki da se s ruba odbija premalo Sunčeve svjetlosti.

Detalji prstenova snimljeni iz letjelice Cassini

6

Prstenovi su imenovani velikim slovima abecede. Tamna područja koja se vide sa Zemlje

nazvana su Cassinijevom i Enckeovom pukotinom, no niti ta područja nisu prazna, već samo

manje gustoće. Cassinijeva pukotina široka je oko 4.000 km, sadrži tijela veličine desetak

metara, a razdvaja prstenove A i B, koji su najsjajniji i najbolje vidljivi. Prstenovi C i D

nalaze se s unutarnje strane, bliže planetu. Prsten C sadrži tijela velika prosječno jedan metar,

a unutarnji D prsten sastavljen je od sasvim sitnih čestica. U građi ovih prstenova uočava se

da se svaki od njih sastoji od više manjih prstenčića; tako je, primjerice, prsten A pri svojem

vanjskom rubu prorijeđen Enckeovom pukotinom. Sa Zemlje se vide prstenovi A, B i C.

Vanjski rub prstena A je ujedno i vanjski rub koji se vidi sa Zemlje, a postoje još F, G i E

prsten, otkriveni pomoću svemirskih letjelica. Neki mali Saturnovi sateliti kreću se u

vanjskom dijelu između pojedinih prstenova.

Struktura Saturnovih prstenova

7

Struktura Saturnovih prstenova. Označeni su položaji nekih satelita i udaljenost od Saturna.

Prsten E je jako rijedak i prelazi u međuplanetarni prostor.

3. Saturnovi sateliti

Oko Saturna je zasad poznato 60 prirodnih satelita. Nekoliko malih satelita vrlo su blizu

Saturnu i u fizičkoj su vezi s prstenovima. Oni su nepravilnog oblika, baš kao i udaljeniji

Telesto, Kalipso, Helena i Hiperion. Sateliti koji se kreću među prstenovima se nazivaju

"pastiri", jer njihova gravitacijska sila djeluje na čestice u prstenovima i održava oblik

prstenova.

Najmanji pravilni sateliti sfernog oblika su Mimas i Encelad; Mimas je ujedno Saturnu

najbliži sferni satelit. Osim Titana, svi su mnogo manji od našeg Mjeseca i svi sadrže velik

udio vode, koja se zbog niskih temperatura u tom dijelu Sunčevog sustava nalazi u obliku

leda. Zbog takve građe njihova srednja gustoća je mala.

Mimas

8

Među malim satelitima vrijedi istaknuti nekoliko zanimljivosti. Mimas i Tetis, te Encelad

i Dione imaju periode ophoda u rezonanciji u omjeru 1:2. Mimas (398 km u promjeru) ima na

svojoj površini udarni krater promjera 100 km; pravo je čudo da je Mimas uopće “preživio”

sudar. Encelad je rekorder po albedu, jer njegova ledena površina odbija gotovo svu svjetlost

koja pada na njega. Feba se giba retrogradno i nema sinkroniziranu rotaciju. Japet je satelit s

prilično nagnutom putanjom, a zanimljivo je da njegova polovica koja napreduje putanjom

ima albedo samo 0,05, dok suprotna, stražnja strana ima albedo čak 0,5. Diona i Rea također

imaju različite strane.

Dione Encelad

Japet Rea

9

Za Febu imamo puno dobrih i detaljnih slika, jer je sonda Cassini prošla vrlo blizu nje

prilikom približavanja Saturnu:

Feba

Titan je drugi po veličini satelit u Sunčevom sustavu (5.150 km u promjeru) i jedini koji

ima pravu atmosferu. Poput Ganimeda, i on je veći od Merkura. Srednja udaljenost Titana od

Saturna iznosi 1.221.900 km, a njegov obilazak Saturna traje 15,95 dana.

10

Najveća srednja gustoća među Saturnovim satelitima ukazuje da Titan nije građen samo

od leda, već da mu unutrašnjost sadrži i stjenoviti, silikatni materijal. Njegova površina

sakrivena je ispod guste i neprozirne atmosfere. Atmosferski tlak na površini iznosi otprilike

1,5 bara. Glavni sastojak atmosfere je dušik, a samo u tragovima pronađeni su argon, metan,

etan, eten, propan, ugljični dioksid, cijanovodik i još neki ugljikovodici. Titanova atmosfera

(osim najlakšeg, elementarnog vodika) uspjela je opstati i ostati gravitacijski vezana uz Titan

zahvaljujući niskim temperaturama koje vladaju tim dijelom Sunčeva sustava (temperatura na

površini Titana procjenjuje se na otprilike –173°C).

Na površini postoje jezera tekućih ugljikovodika, a nad površinom se nalazi troposfera s

oblacima od metana i dušika. Iznad troposfere nalazi se debeli sloj smoga, koji nastaje

vezanjem složenih ugljikovodika i čestica prašine. Ovaj neprozirni sloj dopire do visine od

200 km iznad površine, crveno-narančaste je boje i nekad je bio smatran površinom Titana.

Stoga se nekad mislilo da mu je polumjer za 200 km (a promjer za 400 km) veći od stvarnih

dimenzija, pa je Titan u prošlosti imao titulu najvećeg satelita Sunčevog sustava. Zbog

neprozirnosti atmosfere, prije spuštanja sonde Huygens (koja se nalazila na letjelici Cassini),

ranije nije bilo moguće snimiti površinu Titana. Upravo zahvaljujući tim dvjema letjelicama

smo upotpunili saznanja o Titanovoj površini i atmosferi.

Titan i mjesto na koje se spustila sonda Huygens

11

4. Promatranje i proračun veličine Saturnovih prstenova

Napravila sam tri promatranja Saturna: 18.2., 21.2. i 22.2.2008. Promatranja sam radila s

Riječke zvjezdarnice. Teleskop ima promjer 406,4 mm i žarišnu duljinu 4000 mm. Prvi put

sam koristila okular žarišne duljine 40 mm i što daje povećanje 100 puta. Pokušala sam

promatrati pomoću okulara žarišne duljine 14 mm (povećanje 285 puta), ali s njim se nije

dovoljno jasno vidjelo.

Pri drugom promatranju, 21.2., turbulencije su bile jače, ali se vidjelo dovoljno za izradu

skice.

Na trećem promatranju vidljivost je bila bolja i mogla sam koristiti okular od 14 mm.

Slijede skice Saturna koje sam napravila, te obrada podataka.

12

18. veljače:

Promjer Saturna na skici je 8,5 cm, a promjer prstena 17 cm.

21. veljače:

Promjer Saturna na skici je 8,5 cm, a promjer prstena 17,6 cm.

22. veljače:

Promjer Saturna na skici je 8,5 cm, a promjer prstena 17,4 cm.

Srednja vrijednost veličine prstena za ta tri promatranja iznosi 17,3 cm odnosno 173 mm. Kad

sam to izračunala, preračunala sam milimetre sa skice u kilometre:

85 mm = 120.660 km, što znači da je 1 mm = 1.419,53 km

Promjer prstena (prema skicama):

173 mm = 245.579 km

Stvarni promjer prstena iznosi 274.000 km. Odstupanje prilikom mjerenja iznosi oko

28.400 km, odnosno 10,4%. S obzirom da nemam puno iskustva u promatranju i skiciranju

(ovo su moje prve skice), uglavnom sam zadovoljna s preciznošću rezultata, ali ne i sa

kvalitetom crteža. Nadam se da ću, uz više vježbe, moći crtati bolje i preciznije skice.

13

5. Kratki životopis

Zovem se Nives Orlić, imam 14 godina i pohađam 8. razred u OŠ "Trsat". Na ovo

natjecanje sam se prijavila preko Akademskog Astronomskog Društva – Rijeka čiji sam član

dvije godine, dok sam prije pohađala astronomsku radionicu. Nakon pohađanja astronomske

radionice zainteresirala sam se za astronomiju i odlučila nastaviti, ali sam zahvaljujući

radionici zavoljela i kemiju, za koju sam ostvarila dosta dobre rezultate na natjecanju.

Prvi put sam na ovom natjecanju i za temu praktičnog rada izabrala sam promatranje

Saturna. Tu temu odabrala sam i obradila pod vodstvom mentorice Vanese.

Osim toga, bavim se i debatom od prošle godine, a u tome sam zbog mog hobija od

trećeg razreda – čitanja knjiga.

14

6. Literatura

R. Burnham, A. Dyer, J. Kanippe, Astronomija: vodič po noćnom nebu, Dušević&Kršovnik,

Rijeka, 2003.

Vladis Vujnović, Astronomija 1, Školska knjiga, Zagreb, 1994.

Vladis Vujnović, Astronomija za učenike osnovne škole, Element, Zagreb, 1997.

http://www.dtm.ciw.edu/sheppard/satellites/

www.nineplanets.org