Pályája
A Szaturnusz 29,46 földi év alatt kerüli meg egyszer a Napot. Tengelye 63,3 fokkal hajlik a pályasíkhoz, ez azt jelenti, hogy hol egyik, hol másik pólusa dől valamennyire a Nap felé. A Szaturnusznak ez a Naphoz viszonyított helyzete a földről is észrevehető, a gyűrűrendszerre való rálátás mértékéből. A napsugárzás a Szaturnusznál csak 1%-a annak, amennyi a Földet éri, de ez is elég ahhoz, hogy évszakos váltakozást idézzen elő. A Szaturnusz akkor van Napközelben, amikor déli pólusa billen a Nap felé.
Keringés, forgása
A Szaturnusz lapított gömb alakú. Az egyenlítői és sarki átmérő majdnem 10%-kal különbözik (120 536, illetve 108 728 kilométer). Ez a nagy sebességű forgás eredménye. A többi gázbolygó szintén lapított, de kisebb mértékben. A Szaturnusz a Naprendszer egyetlen bolygója, melynek sűrűsége kisebb a víznél. Bár a Szaturnusz magja sokkal sűrűbb, mint a víz, az átlagos sűrűsége a gáznemű légkör miatt 0,69 g/cm³.
A Szaturnusz és a Nap közötti átlagos távolság meghaladja a 1,4 milliárd kilométert (9 Csillagászati Egység ). A Szaturnusz 9,68 km/s átlagos keringési sebességgel, 759 Föld-nap alatt (vagy kb .+1 / 2 év) , kerüli meg a Napot.
A Szaturnusz nyilvánvaló furcsasága, hogy nincs ismert trójai aszteroidája. Ezek olyan kisebb bolygók, amelyek a Nap körül az L 4 és L 5 jelzésű stabil Lagrangi-pontokon keringenek, amelyek a bolygóval 60 ° -os szöget zárnak be a pályája mentén.
Forgástengelye 27°-kal tér el az ekliptikára merőleges egyenestől. Az eltérést a bolygó körül keringő holdak okozzák. Az eltérés a következő pár milliárd évben még tovább fog növekedni. A tengelyferdeség fő oka a legnagyobb hold, a Titán. A holdak egyre távolodnak az anyabolygójuktól, és ez hozzájárul a bolygó tengelyferdeségének kialakulásához, illetve annak növekedéséhez. A ferdeség kialakulásának kezdete mindössze 1 milliárd évvel ezelőttre tehető. A ferdeséghez a Neptunusz bolygó is hozzájárul. A tanulmány készítő két tudós egyike a Párizsi Obszervatóriumban (PSL/CNRS) dolgozik, a másikuk a Sorbonne Egyetemen. A kutatást az Institute of Celestial Mechanics and Ephemeris Calculation nevű intézetben végezték, ami a Párizsi Obszervatórium egyik részlege. A tanulmány 2021. január 18-án a Nature Astronomy szakfolyóiratban jelent meg.
Belső szerkezete
Középpontjában egy 12 ezer km sugarú, főleg kőzetekből, ammóniából,
metánból és vízből álló mag lehet. Ez a mag összetételében hasonló a Földhöz, de sűrűbb. 2004-ben a tudósok becslései szerint a magnak a Föld tömegének 9–22-szeresének kell lennie, ami kb. 25 000 km átmérőnek felel meg.
Ezt veszi körül egy 17 ezer km vastag fémes folyékony hidrogén köpeny, ezt pedig egy 30 ezer km vastag folyékony hidrogén réteg. A légkör vastagsága nagyjából ezer km. Ez a bolygó is több energiát sugároz ki, mint amennyit a Naptól kap.
A plusz energia forrása a hélium és hidrogén lassú, fajsúly szerinti átrendeződése lehet.
Mágneses mező
A NASA Cassini űrszonda által a Szaturnusz utolsó néhány pályája során gyűjtött adatok új betekintést nyújtanak a gyűrűs bolygó mágneses mezőjébe.
Úgy gondolják, hogy a Szaturnusz belseje egy központi jég- / kőzetmagból áll, amelyet egy elektromosan vezető fémhidrogén réteg vesz körül, amely létrehozza a bolygó mágneses mezőjéért felelős dinamót. A mély belső térből a fém hidrogén átkerül egy szigetelő külső rétegbe, amely többnyire molekuláris hidrogénből áll.
A Cassini által összegyűjtött adatok alapján a Johns Hopkins Egyetem kutatói arra a következtetésre jutottak, hogy a megfigyelt mágneses mező legjobban a hélium esőből álló mély belső tér átmeneti rétegével magyarázható.
Az átmeneti zóna alatt a nyomás olyan magas, hogy a hélium simán keveredhet a fémes hidrogénnel, lehetővé téve a konvekciót és a dinamó működését, amely a bolygó mágneses terét generálja. Alacsonyabb nyomáson, a magtól távolabb, a hélium nem keveredik el hidrogénnel, emiatt eső esik.
Úgy gondolják, hogy a hélium eső gátolja a konvekciót és a dinamó működését, jól illeszkedve a Cassini adatokhoz.
Kémiai összetétele
A Szaturnusz külső légköre 96,3% molekuláris hidrogént és 3,25% héliumot tartalmaz. A héliumnál ( fémes) nehezebb elemek mennyisége nem pontosan ismert, de feltételezzük, hogy az arányok megfelelnek a Naprendszer kialakulásakor uralkodó arányoknak. . Becslések szerint ezeknek a nehezebb elemeknek a teljes tömege a Föld tömegének 19–31-szerese, jelentős része a Szaturnusz magvidékén helyezkedik el.
Nyomokban ammóniát, acetilént , etánt , propánt , foszfint és metánt detektáltak a Szaturnusz légkörében. A felső felhők ammónia kristályokból állnak, míg az alsó felhők ammónium-hidroszulfidból ( NH4SH ) vagy víz. A Nap ultraibolya sugárzása metán fotolízist okoz a légkör felső részében, ami szénhidrogén kémiai reakciók sorozatához vezet, miközben örvények és turbulens áramlások jönnek létre.
Légkör
A Szaturnuszt is vastag felhőzet borítja, akárcsak a Jupitert, légköri képződményei
azonban kevésbé látványosak. Atmoszférájában nincsenek akkora kontrasztkülönbségek és éles színárnyalatok, mint a Jupiterénél. Ennek oka, hogy a légkör hidegebb, így az egyes felhőrétegek mélyebben helyezkednek le, több gáz található felettük, ami erősen tompítja színüket.
A Szaturnusz középpontjában a hőmérséklet eléri a 11 700 ° C-ot, és 2,5-szer több energiát sugároz az űrbe, mint amennyit a Naptól kap.
Az atmoszférát az egyenlítővel párhuzamos felhősávok uralják, a légkör itt is differenciálisan rotál, fő összetevője a hidrogén és hélium. A bolygón hevesebb szelek fújnak, mint a Jupiteren, a szélsebesség az 400 m/s-ot is elérheti. Légkörében a Jupiteren megfigyelhető Nagy Vörös Folthoz és társaihoz hasonló örvények láthatók.
A fehér ammóniajégből álló, hatalmas felsőlégköri viharok a Földről nézve akkor láthatók, amikor kiemelkednek a ködből. Ilyen viharok mintegy 30 évente egyszer fordulnak elő, mégpedig az északi félteke nyarának közepén. 2004-ben a Cassini-űrszonda felfedezett egy régiót, amelyen éppen akkor viharok domináltak, és viharsikátornak nevezték el. A bolygón támadó szél sebességét és irányát a viharok és a felhők megfigyeléséből állapítják meg. A Szaturnusz uralkodó szelei kelet felé fújnak, sebességük 1800 km/h.
A Szaturnusz északi féltekén 2010 decemberében látványos vihar robbant ki, amely elég nagy volt ahhoz, hogy a Földről látható legyen. A vihar ragyogó felhőket szült, amelyek végig körbefogták a bolygót, miközben hatalmas örvénye egyre nagyobb lett, mint a Jupiter Nagy Vörös Foltja. De a legnagyobb meglepetés hat hónappal a vihar kezdete után volt, amikor a látható jelek kezdtek halványulni.
A Cassini infravörös spektrométerével kimutatták, hogy a vihar idején és helyén a Szaturnusz sztratoszférájának hőmérséklete 83 fokkal melegebb volt a szokásosnál. A Szaturnusz nagyon stabil légkörében egy ekkora hőmérsékletnövekedés szinte hihetetlenül nagynak számít. Ugyanakkor a NASA kutatói a Szaturnusz légkörére egyébként nem jellemző, korábban soha meg nem figyelt etilén gáz mennyiségének ugrásszerű, mintegy 100-szoros növekedését tapasztalták. A jelenségre eddig még nem sikerült magyarázatot adni.
A hőmérsékletmérésekkel azt is kimutatták, hogy a bolygó sztratoszférájában két, fényesen ragyogó, szokatlanul meleg gáznyaláb jelent meg, vagyis nagy mennyiségű energia jutott a légkörbe. Amikor a látható fény tartományában a vihar kezdett elhalványulni, akkor a két nyaláb egybeolvadt. Ekkor hőmérséklete 220 K (mínusz 53 Celsius-fok) fölé emelkedett. A két nyaláb egyesülésével létrejött a Naprendszer eddig megfigyelt legnagyobb örvénye, mérete még a Jupiter nagy vörös foltjáét is meghaladta. Ellentétben a Jupiter évszázadok óta stabil, hasonló képződményével, a kutatók véleménye szerint a fokozatosan zsugorodó szaturnuszi óriás örvény 2013 végére teljesen eltűnik.
A teljesen kifejlődött vihar sávja olyan széles, mint Észak-Amerika észak-déli irányú kiterjedése, a vihar hossza pedig többször körbeérné a Földet. Az ilyen méretű viharok átlagosan szaturnuszi évenként egyszer (azaz 30 földi évenként) figyelhetők meg.
Gyűrűk
A Szaturnusz leglátványosabb képződménye a bolygó gyűrűrendszere. Ez a gyűrűrendszer nem merevtest, hanem sokmillió kis szemcséből áll, melyek mindegyike önálló pályán mozog az égitest körül. A holdak és a Szaturnusz gravitációs zavaró hatására az anyag nem egyenletesen oszlik el a korongban, hanem sűrűbb és ritkább sávokat alkot.
A gyűrűrendszerben található objektumok mérete a méterestől egészen a mikronos nagyságig terjed, anyaguk nagy része valószínűleg vízjég. A gyűrűrendszer külső része rendkívül ritka, határa a Szaturnusz centrumától 480 ezer km távolság körül húzódhat. Sűrűbb tartománya a centrumtól 174 ezer km-re kezdődik, és 67 ezer km-ig tart, de ritkább anyag valószínűleg egészen a légkör tetejéig terjed. A gyűrűk vastagsága pontosan nem ismert, anyaguk nagyrésze egy vékony sávban összpontosul, melynek vastagsága 100 méteres nagyságrendű.
A gyűrűk a felvételek felbontásáig finomszerkezetet mutatnak. A rendszer csak első ránézésre szabályos, kisebb méretskálán sok elliptikus és szabálytalanul csavarodó, hullámos gyűrűalkotó található benne. Ezekért a nagyobb holdak és a Szaturnusz gravitációs hatásán kívül kisebb, ún. terelőholdak is felelősek, amelyek a gyűrűrendszerben illetve annak közvetlen közelében mozognak, és meghatározott pályán tartják az egyes gyűrűalkotók anyagát.
A gyűrűrendszert egy hidrogénből álló „légkör” veszi körül kb. 60 ezer km-rel a gyűrű síkja alá és fölé terjedve. A legfényesebb gyűrűben, a B gyűrűkomplexumban időnként rövid életű küllőszerű képződmények figyelhetők meg, amelyek merevtestként, a Kepler-törvényeknek ellentmondva látszanak mozogni. Ezeket valószínűleg a Szaturnusz mágneses tere és a gyűrű mikronos szemcséi között létrejövő kölcsönhatás váltja ki, amely kiemeli őket a gyűrű síkjából – tovaterjedésük a stadionok nézőterén hullámzó közönséghez hasonlítható. A gyűrűrendszer ideiglenes képződmény, amelynek anyaga a holdak feldarabolódása, anyagvesztése során állandó utánpótlást kap.
A Spitzer űrteleszkóp infravörös felvételei alapján 2009. október 6-án óriási, az eddig ismertek méretét messze meghaladó, porból és jégszemcsékből álló gyűrűt fedeztek fel a Szaturnusz körül. A gyűrű átmérője körülbelül 300-szorosa, vastagsága pedig mintegy 20-szorosa a bolygó átmérőjének. A látható fény tartományában egyáltalán nem figyelhető meg, ezért maradhatott eddig észrevétlen. Az egész alakzat kiterjedésére jellemző, hogy ha szabad szemmel láthatnánk, a Földről nézve két teliholdnyi átmérőt foglalna el az égbolton. A porgyűrű belső széle a bolygótól körülbelül 6 millió kilométerre található, míg a külső széle durván 12 millió kilométeres távolságig terjed. A porgyűrű mintegy 27 fokos szögben hajlik a fő gyűrűrendszer síkjához.
Holdak
A Szaturnusznak 2019-ben 82 holdja ismert. A további holdak besorolása nehézkes. A pontos számukat nem lehet meghatározni, mert nézőpont kérdése, hogy mi számít valódi holdnak, és mi egy gyűrűhöz tartozó szikla vagy jégdarab.
- Az űrkorszak előtt kilenc ismert holdja volt a Szaturnusznak.
- 1980-ban a Voyager–1 űrszonda további kilenc holdat fedezett fel.
- A 2000-ben kezdődött felmérés során 12 új holdat azonosítottak, többnyire kis méretű szikla- és jégdarabokat.
- 2003-ban a földi teleszkópok felvételei alapján sikerült rátalálni egy új holdra.
- A Cassini űrszonda 2004-ben érkezett meg a Szaturnuszhoz és még abban az évben 5 újabb holdat fényképezett le.
- 2004-ben és 2005-ben földi távcsövekkel további 12, külső pályán keringő holdat fedeztek fel.
- 2006-ban a Cassini űrszonda, a Hubble-űrtávcső és földi teleszkópok felvételei alapján újabb 8 holdat sikerült beazonosítani .
A holdak közül sok kis méretű van: 57-ből 31 átmérője nem éri el a 10, további 13 pedig az 50 km-t. A holdak közül csak hét elég nagy ahhoz, hogy gömb alakba álljon össze saját gravitációja alatt. A Szaturnusz legfigyelemreméltóbb holdja a Titán, a Naprendszerben az egyetlen hold, amelynek sűrű légköre van.