Werkstuk Natuurkunde Saturnus

Transcriptie

1 Werkstuk Natuurkunde Saturnus Werkstuk door een scholier 3094 woorden 17 februari ,7 61 keer beoordeeld Vak Natuurkunde Voorwoord & inleiding Voor u ligt ons werkstuk over Saturnus. Wij vonden het onderwerp erg interessant, dat is waarom we er veel tijd in hebben gestoken. Saturnus is natuurlijk bekend om zijn ringen, daar wordt dus veel aandacht aan besteed. Verder komen de manen, de admosfeer en de samenstelling van Saturnus ook aan bod. De plaatjes zijn speciaal gekozen om de tekst te ondersteunen. Om verder niet teveel los te laten over dit werkstuk, houden wij nu op. En hopen we dat u het een interssant werkstuk vind. Hoofdstuk 1. Algemene informatie Naam: Saturnus Kleur: geel, naar polen toe groener. Kern: rotsig Diameter: km (equator) km (polair) Afplatting: 1 / 10,21 Temperatuur dag: C. Temperatuur nacht: C. Gemiddelde afstand tot de zon: 1.431,607 miljoen km. Minimale afstand tot de zon: 1.345,4 miljoen km. Maximale afstand tot de zon: miljoen km. Gemiddelde baansnelheid: km/h. Minimale baansnelheid: km/h. Maximale baansnelheid: km/h. 1 rotatie rond de zon: 29 jaar en 148 dagen.(29,458 aardse jaren) 1 rotatie rond eigen as: 10 uur en 39 minuten. Massa: kg. Volume: km³. Dichtheid: 0.7 g/cm³. Zwaartekracht: 7.2 m/s² (100 kg op aarde is daar 74 kg). Aantal manen: niet precies bekend, in 2007 zijn er tussen de 40 en 60 manen ontdekt, waarvan van 18 manen de gegevens bekend zijn. Atmosfeer bestaat voornamelijk uit: amoniak, helium, waterstof. Pagina 1 van 7

2 Leven mogelijk: nee. Hoofdstuk 2. Waarnemingen Saturnus is vernoemd naar de romeinse God Saturnus, dit was de God van de landbouw. Saturnus is de 6e planeet vanaf de zon gezien en na Jupiter de grootste planeet van het zonnestelsel. Met het blote oog is Saturnus zichtbaar als een helder gele ster, die niet flikkert. De ringen zijn niet met het blote oog te zien, met een verrekijker is wel te zien dat Saturnus niet cirkelvormig is. Een kleine telescoop laat de ringen al goed zien. De scheidingen tussen de ringen worden wel gebruikt om de kwalitiet van de telescopen te testen. Saturnus is de verst verweiderde planeet die we gemakkelijk met het blote oog kunnen zien. De planeet heeft bijna 30 jaar nodig om 1 maal om de zon te bewegen. Dat is dan ook de reden waarom we Saturnus soms jarenlang in hetzelfde sterrenbeeld kunnen zien staan. Doordat Saturnus erg snel om zijn as draaid, is de planeet erg afgeplat. Daarmee wordt bedoeld dat de middenlijn van de evenaar veel groter is dan de middenlijn tussen de polen. Van alle planeten heeft Saturnus de grootste afplatting. Saturnus is de enige planeet in het zonnestelsel waarvan de dichtheid minder is dan één gram per kubieke centimeter. Saturnus is gemiddeld dus lichter dan water! Saturnus is natuurlijk vooral bekend door zijn ringenstel sel, dat reeds in een kleine kijker prachtig te zien is. Vanaf de aarde zien wij de ringen van Saturnus niet steeds onder dezelfde hoek. Soms kijken we er bovenop. Andere keren kijken we er van onderen tegenaan. Tussen deze perioden zijn de ringen voor korte tijd vrijwel onzichtbaar. De aarde beweegt dan precies door het vlak van de ringen. Doordat het ringenstelsel slechts enkele kilometers dik is, kunnen we de ringen dan niet zien. De aarde ten opzichte van Saturnus: <afbeelding ontbreekt> Hoofdstuk 3. Samenstelling In het centrum bevindt zich een rotsachtige kern, daaromheen een mantel van vloeibaar metalische waterstof, gevolgd door een laag van moleculair waterstof. De temperatuur in de kern bedraagt K (Kelvin, is de eenheid van thermodynamische temperatuur). Als gevolg van het Kelvin-Helmholtz mechanisme straalt Saturnus meer energie uit dan hij van de zon ontvangt. Deze energie-uitstraling wordt versterkt door de wrijvingswarmte die vrijkomt wanneer helium in de mantel tegen waterstof botst. Als gevolg van zijn snelle rotatie (10h 14m aan de evenaar, 10h 41m op hogere breedtegraden) is Saturnus naar de polen toe behoorlijk afgeplat en het verschil tussen diameter tussen de polen en de evenaar bedraagt bijna 10% ( km vs km). Bij andere (gasvormige) planeten doet dit verschijnsel zich ook voor, maar nergens zo sterk als bij Saturnus. Een ander opmerkelijk feit over Saturnus is dat de gemiddelde dichtheid slechts 0,69 kg/dl bedraagt: als enige planeet in ons zonnestelsel is dit kleiner dan de dichtheid van water. Als je een bak met water zou hebben waar Saturnus in zou passen, zou de planeet blijven drijven als een strandbal. De samenstelling van Saturnus: <afbeelding ontbreekt> Hoofdstuk 4. Atmosfeer De atmosfeer van Saturnus bestaat voor meer dan 93% uit waterstof en voor iets meer dan 5% uit helium. Het resterende deel wordt ingenomen door methaan, waterdamp, ammoniak, ethaan, propaan, acetyleen en waterstoffosfide welke sporadisch voorkomen. Op aarde bestaat een duidelijke scheiding tussen land, water en atmosfeer. Saturnus heeft daarentegen Pagina 2 van 7

3 alleen maar waterstoflagen die van een vloeibare vorm diep in de planeet langzaam overgaan in de gasvormige variant die in de atmosfeer voorkomt, zonder een duidelijke grens. Dit is een niet gebruikelijke situatie die voortkomt uit de enorme druk en temperatuur op Saturnus, genoemd een superkritieke toestand. Als gevolg van de extreme druk worden de gassen dusdanig samengeperst dat ze, op het punt waar normaal de overgang verwacht wordt, een dichtheid hebben die nog steeds overeenkomt met die van een vloeistof. Saturnus heeft daarom geen duidelijk planeetoppervlak. Vanuit de ruimte gezien vertoont de atmosfeer van Saturnus een patroon van strepen of banden dat overeenkomsten vertoont met Jupiter. Het verschil is echter dat de banden van Saturnus vager zijn en rond de evenaar veel breder. Door de Voyager 1 werden complexe wolkenstructuren waargenomen in de atmosfeer die vanaf de Aarde niet zichtbaar waren. Op Saturnus waaien harde stormen, nabij de evenaar bereiken ze in de bovenlagen van de atmosfeer snelheden tot 500 m/s. Hoofdstuk 5. de ringen Cassini toonde in 1675 aan dat de ring in werkelijkheid uit twee ringen bestond, waartussen zich een scheiding bevond die later de naam Cassinischeiding kreeg. In 1858 bewees James Clerk Maxwell dat de ringen gruis en stukjes rots moesten bevatten. Alle gasplaneten uit ons zonnestelsel vertonen een systeem van ringen, maar het ringensysteem van Saturnus is veruit het opvallendste. In 1610 keek Galileo Galilei naar Saturnus en zag drie objecten in plaats van één. Toen hij twee jaar later nog eens keek waren deze verdwenen waarna ze twee jaar later weer verschenen, nu duidelijker dan ooit. Vol verbazing hield Galilei het er op de planeet twee handvaten (ansae) had. Een halve eeuw later kon Christiaan Huygens dankzij de verbeterde telescooptechniek in 1655 als eerste bevestigen dat deze ansae eigenlijk een ring rond de planeet was. Huygens beschreef een dunne platte ring die de planeet nergens raakte. Dit werd aanvankelijk met enig ongeloof ontvangen, maar werd door Richard Hooke en Giovanni Cassini bevestigd. De laatste inzichten zijn dat het een stelsel is van talloze minieme, afzonderlijke ringen met smalle, lege afscheidingen tussen deze ringen. De ringen zijn maximaal 1 km dik en bestaan uit ijs en meteorietstofdeeltjes. Het hele stelsel is concentrisch, wat veroorzaakt wordt door de vele maantjes van Saturnus, die zwaartekrachtschommelingen ondergaan en veroorzaken. Saturnus heeft officieel seven ringen maar die ringen bestaan afzonderlijk weer uit kleinere ringetjes. In werkelijkheid zijn het er zeker honderdduizend. De ringen bestaan allemaal uit kleine brokken rots en ijs. Sommige daarvan zijn niet veel groter dan een millimeter, anderen zijn vele tientallen meters lang. De Italiaanse sterrenkundige Cassini merkte in 1675 als eerste op dat de planeet door meer dan één ring is omgeven. Hij merkte tussen de ringen een donkere scheiding op. Deze scheiding heeft zijn naam gekregen en heet de scheiding van Cassini of Cassini's verdeling. De buitenste ring wordt de A-ring genoemd en de andere ring de B-ring. De A-ring is ruim kilometer breed en de B ring kilometer. De breedte van de scheiding van Cassini is ongeveer 3700 kilometer. In 1850 werd nog een derde ring ontdekt. Deze wordt de C-ring genoemd. Deze ring is veel lichtzwakker en daardoor ook moeilijk waar te nemen. Hij ligt tussen de B-ring en Saturnus en wordt ook wel de floersring genoemd. In 1969 maakte de Franse sterrenkundige Guérin op de ster renwacht Pic-du-Midi in de Franse Pyreneeën een aantal zeer goede foto's van Saturnus. Op enkele van die foto's is tussen de C-ring en de planeet nóg Pagina 3 van 7

4 een lichtzwakkere ring zichtbaar. Voorlopig werd deze ring de D-ring genoemd. Veel sterren kundigen geloofden echter niet in het bestaan van deze ring. Foto's van het ruimte voertuig Voyager 1 laten deze ring duidelijk zien. Maar de ring is zó ijl, dat sommige sterrenkundigen nog steeds niet geloven dat hij vanaf de aarde waarneembaar is. Dankzij het Voyager-onderzoek aan het ringenstelsel zijn nog enkele andere ringen ontdekt. Zo is er nog een E-ring, F-ring en G-ring ontdekt. De G-ring is het laatst ontdekt. Deze ring vormt de lichtzwakke uiterste begrenzing van het ringsysteem. Binnen de G-ring liggen de eveneens dunne en vanaf de aarde onzichtbare E- en F-ringen. Ringen van Saturnus Naam Binnenradius (km) Buitenradius (km) Breedte (km) D-ring C-ring B-ring A-ring R/2004 S (diffuus) R/2004 S (diffuus) F-ring G-ring E-ring Alleen de A-, B- en C-ring zijn met de amateur-telescopen zichtbaar vanaf de aarde. De D- en E-ring werden respectievelijk in 1969 en 1967 vanaf aarde ontdekt. De F- en G- ringen werden op foto's van de Voyager expedities waargenomen. De F-ring heeft een gevlochten structuur en wordt in stand gehouden door de herdermaantjes Prometheus en Pandora. R/2004 S1 is een heel kleine ring tussen de A- en F-ring, in de buurt van de baan van Atlas, die in september 2004 door het Cassini-Huygens team werd ontdekt. Er moet echter nog nagegaan worden of deze ring volledig en permanent is alvorens hij een definitieve aanduiding krijgt. De duidelijk waarneembare ruimte tussen de A- en B-ring is bekend als de Cassinischeiding (4650 km breed) en wordt veroorzaakt door de maan Mimas. Er bestaat nog een kleinere ruimte binnen de A-ring (de Enckescheiding). Deze is heel wat minder goed te zien. Ze is slechts 325 km breed en werd mogelijk waargenomen in 1837 door Johann Encke maar pas met zekerheid bevestigd in 1888 door James Keeler. Het kleine maantje Pan (20 km groot) heeft zijn baan in deze scheiding. De Voyagers ontdekten verder nog kleinere scheidingen : de Maxwellscheiding op km afstand (270 km breed) en de Keelerscheiding op km afstand (35 km breed); deze laatste wordt opengehouden door het maantje Daphnis. De stand van de ringen zoals we die vanaf aarde kunnen observeren maakt een cyclus door van 29,5 jaar. De jaren waarin wij ons op aarde in het vlak van de ringen bevonden (1612, , 1685, , , 1966, ), zijn in het verleden van belang geweest omdat op dat ogenblik het licht van de ringen minimaal is en de kans daardoor vergroot dat men kleine, lichtzwakke maantjes kon ontdekken. Een voorbeeld hiervan is de ontdekking van Janus in 1966 door Audouin Dolfus vanaf het Observatorium van de Pic du Midi. Pagina 4 van 7

5 Vorming van de ringen: We weten dat er rond elke planeet gebieden zijn waar een eventuele maan door de kracht van de moederplaneet uiteen getrokken zou worden. Dit wordt de limiet van Roche geval zullen de maantjes van de planeet nog steeds een belangrijke rol spelen bij het in stand houden van de ringen. Er is trouwens nog een andere theorie over het ontstaan van het ringenstelsel. Deze theorie gaat er van uit dat het materiaal is dat bij de vorming van de planeet is overgebleven. Er zijn perioden dat we tegen de zijkant van de ringen aan kijken. Deze perioden komen tweemaal per omloop van Saturnus voor. Gemiddeld komt er daarom iedere vijftien jaar een periode voor dat we tegen de zijkant van de ringen aankijken. Dan zijn de ringen onzichtbaar. Ze zijn namelijk wel behoorlijk breed, maar slechts erg dun. Wellicht minder dan één kilometer! De laatste periode dat we tegen het vlak van de ringen keken was in 1995/96. De volgende keer zal pas in het jaar 2009 zijn. Ook dan zal het ringenstelsel vanaf de aarde enkele maanden niet zichtbaar zijn doordat we er precies van opzij tegenaan kijken. Hoofdstuk 6. de manen van Saturnus Het aantal manen van Saturnus is niet precies bekend. In 2007 zijn er tussen de 40 en 60 manen ontdekt, waarvan van 18 manen de gegevens bekend zijn. Het exacte aantal manen van Saturnus zal ook nooit vastgesteld kunnen worden, aangezien elk brokstuk van de ringen zich in een baan rond de planeet beweegt en technisch gezien ook als een maan beschouwd kan worden. Het is moeilijk om een arbitraire scheiding te maken tussen een kleine maan en een grote brok van de ringen. Van alle planeten in het zonnestelsel heeft Saturnus de meeste manen. Naam Ontdekt in Diameter Afstand Saturnus Pan km km Atlas km km Prometheus km km Pandora km km Epimetheus km km Janus km km Mimas km km Enceladus km km Tethys km km Telesto km km Calypso km km Dione km km Helene km km Rhea km km Titan km km Hyperion km km Japetus km km Phoebe km km Op foto's die de Voyagers van het maantje Mimas hebben ge maakt valt direct een hele groter krater op. Vanaf Saturnus gezien ligt deze krater aan de zijkant van het maantje. De bodem van de krater ligt zo'n tien kilometer onder de op staande rand. De krater heeft ook een centrale berg. Deze centrale berg heeft een hoogte van maar liefst 16 kilometer. Bedenk dat de middellijn van het maantje slechts 398 km bedraagt. Het oppervlak van Mimas is bezaaid met kraters. Veel van die kraters hebben middellijnen van Pagina 5 van 7

6 15 tot 45 kilometer. Vaak zijn ze vierhoekig van vorm. Het oppervlak van Enceladus is betrekkelijk glad. De grootste kraters hebben een doorsnede van zo'n twaalf kilometer. Er moeten op deze maan enorme getijdenkrachten werkzaam zijn. Deze getijdenkrachten ontstaan door de nabijheid van enkele andere maantjes. Het inwendige van Enceladus wordt door de getijdenkrachten behoorlijk verhit. Er kan water aan het oppervlak komen dat daar snel bevriest. Hierdoor ontstaat een nieuw jong ijslaagje. Ook op het oppervlak van Tethys zijn talrijke kraters te zien. Opvallend op deze maan is echter een enorme vallei. Deze vallei is zo'n tweeduizend kilometer lang en zestig kilometer breed. En dat terwijl de middellijn van deze maan nog geen 1050 kilometer bedraagt. Op het oppervlak van Dione zien we op foto's van de Voyagers slierten die van een groot, helder bassin lijken uit te gaan. Deze slierten bedekken een deel van de bekraterde achtergrond. Het kan zijn dat de slierten bestaan uit verspreide lagen van vers waterijs of sneeuw. Maar hoe ze ontstaan is nog niet bekend. Misschien zijn enkele slierten ontstaan door meteoriet-inslagen, maar dit is nog lang niet zeker. Veel kraters op Dione hebben een centrale piek. De grootste kraters hebben een doorsnede van ongeveer honderd kilometer. Opvallend is dat de grote kraters gevuld zijn met hetzelfde materiaal als hun omgeving. Dit zou het gevolg kunnen zijn van inwendige aktiviteit van Dione. Ook op Rhea zijn witte slierten gefotografeerd waarvoor we geen verklaring hebben. Het oppervlak van Rhea is erg ruw en er zijn veel kraters gevonden. De grootste krater heeft zelfs een middellijn van 300 kilometer. Op foto's van Rhea zijn vele valleien en kraterketens te zien. Titan is met zijn diameter van 5150 km de grootste maan van Saturnus. Bovendien behoort Titan tot de grootste manen van ons zonnestelsel. De maan Titan is de enige Saturnusmaan die we vanaf de aarde met een kleine kijker kunnen waarnemen. Hij is het beste te zien wanneer Titan zijn grootste oostelijke of westelijke elongatie bereikt. Het maantje bevindt zich dan zo ver mogelijk ten oosten of ten westen van de planeet. De sterrenkundigen waren erg benieuwd naar het oppervlak van Titan. Bekend was ook dat Titan een dampkring heeft. En juist door deze damp kring konden de beide Voyager-ruimteschepen het oppervlak niet fotograferen. Titan blijkt namelijk geheel omhuld door een dikke, oranje mist. Die mistsluier is niet overal even helder. Het noordelijk halfrond is iets donkerder dan het zuidelijk halfrond. De scheiding is ook vrij scherp. Aan de noordpool is de sluierlaag dichter en dikker dan op lagere breedten. Van dichtbij gezien bestaat hij uit drie verschillende lagen. De Voyagers hebben in de atmosfeer hoofdzakelijk verbindingen van stikstof gevonden. Hoe dik de sluierlagen rondom Titan zijn is nog niet bekend. Wel is zeker dat het oppervlak minstens 280 kilometer onder de zichtbare rand ligt. Daarom weten we nu dat Titan wat kleiner is dan we voorheen dachten. Op foto's gemaakt van Hyperion valt vooral de vreemde vorm van het maantje op. Het is niet bolvormig of eivormig, maar plat en onregelmatig zoals een tartaartje. De lange as is ongeveer 360 kilometer en de korte as 280 kilometer. De dikte is zo'n 226 kilometer. Het is al lang bekend dat het maantje Japetus veel helderder is als het zich ten westen van Saturnus bevindt (westelijke elongatie), dan wanneer het zich aan de oostkant (oostelijke elongatie) bevindt. Het verschil in helderheid is opvallend. Het wordt veroorzaakt doordat Japetus steeds dezelfde kant naar Saturnus toekeert (gebonden rotatie noemen we dat) en bovendien doordat de ene kant veel helderder is dan de andere kant. Het heldere halfrond kaatst ongeveer 50% van het opvallende zonlicht terug. Het donkere halfrond slechts 10%. Pagina 6 van 7

7 Phoebe is de buitenste maan van Saturnus. De afstand tot de planeet bedraagt maar liefst 12,95 miljoen kilometer. Op vallend is eigenlijk dat Phoebe wel bolvormig is. Aan het oppervlak zijn door de Voyagers enkele onregelmatigheden waargenomen. Bijzonder aan het maantje is ook de snelle aswenteling: in slechts 9 uur draait het maantje om zijn as. Phoebe is erg donker. Het kaatst slechts 6% van het op vallend zonlicht terug. Nawoord We hebben veel informatie kunnen vinden, en we zijn zeer tevreden met het resultaat. We hadden een beetje moeite met informatie vinden bij het hoofdstuk atmosfeer, maar uiteindelijk is dat ook gelukt. De samenwerking is goed verlopen, we hebben eerst informatie gezocht en vervolgens de belangrijkste dingen eruit gehaald om dat in ons werkstuk te verwerken. We hebben alles samen gedaan, dus het werk is goed verdeelt geweest. We zijn er achter gekomen dat het heelal niet zomaar een lose ruimte is, maar uit allemaal bijzondere, nog onverklaarbare, verschijnselen bestaat. Een volgende keer voor een werkstuk lijkt heelal ons weer een leuk onderwerp. Pagina 7 van 7