home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Space & Astronomy / Space and Astronomy (October 1993).iso / pc / text / facts / vgrsat.fs < prev    next >
Text File  |  1993-06-28  |  22KB  |  376 lines

  1. FACT SHEET:     VOYAGER SATURN SCIENCE SUMMARY
  2.  
  3.         The Voyager 1 and 2 Saturn encounters occurred nine
  4. months apart, in November 1980 and August 1981.  Voyager 1 is
  5. leaving the solar system.  Voyager 2 completed its encounter with
  6. Uranus in January 1986 and with Neptune in August 1989, and is
  7. now also en route out of the solar system.
  8.         The two Saturn encounters increased our knowledge and
  9. altered our understanding of Saturn.  The extended, close-range
  10. observations provided high-resolution data far different from the
  11. picture assembled during centuries of Earth-based studies.
  12.         Here is a summary of scientific findings by the two
  13. Voyagers at Saturn:
  14. SATURN
  15.         Saturn's atmosphere is almost entirely hydrogen and
  16. helium.  Voyager 1 found that about 7 percent of the volume of
  17. Saturn's upper atmosphere is helium (compared with 11 percent of
  18. Jupiter's atmosphere), while almost all the rest is hydrogen. 
  19. Since Saturn's internal helium abundance was expected to be the
  20. same as Jupiter's and the Sun's, the lower abundance of helium in
  21. the upper atmosphere may imply that the heavier helium may be
  22. slowly sinking through Saturn's hydrogen; that might explain the
  23. excess heat that Saturn radiates over energy it receives from the
  24. Sun.  (Saturn is the only planet less dense than water.  In the
  25. unlikely event that a lake could be found large enough, Saturn
  26. would float in it.)
  27.         Subdued contrasts and color differences on Saturn could
  28. be a result of more horizontal mixing or less production of
  29. localized colors than in Jupiter's atmosphere. While Voyager 1
  30. saw few markings, Voyager 2's more sensitive cameras saw many:
  31. Long-lived ovals, tilted features in east-west shear zones, and
  32. others similar to, but generally smaller than, on Jupiter.
  33.         Winds blow at high speeds in Saturn.  Near the equator,
  34. the Voyagers measured winds about 500 meters a second (1,100
  35. miles an hour).  The wind blows mostly in an easterly direction. 
  36. Strongest winds are found near the equator, and velocity falls
  37. off uniformly at higher latitudes.  At latitudes greater than 35
  38. degrees, winds alternate east and west as latitude increases. 
  39. Marked dominance of eastward jet streams indicates that winds are
  40. not confined to the cloud layer, but must extend inward at least
  41. 2,000 kilometers (1,200 miles).  Furthermore, measurements by
  42. Voyager 2 showing a striking north-south symmetry that leads some
  43. scientists to suggest the winds may extend from north to south
  44. through the interior of the planet.
  45.         While Voyager 2 was behind Saturn, its radio beam
  46. penetrated the upper atmosphere, and measured temperature and
  47. density.  Minimum temperatures of 82 Kelvins (-312 degrees
  48. Fahrenheit) were found at the 70-millibar level (surface pressure
  49. on Earth is 1,000 millibars).  The temperature increased to 143
  50. Kelvins (-202 degrees Fahrenheit) at the deepest levels probed -
  51. - about 1,200 millibars.  Near the north pole temperatures were
  52. about 10 degrees Celsius (18 degrees Fahrenheit) colder at 100
  53.  
  54. millibars than at mid-latitudes.  The difference may be seasonal.
  55.         The Voyagers found aurora-like ultraviolet emissions of
  56. hydrogen at mid-latitudes in the atmosphere, and auroras at polar
  57. latitudes (above 65 degrees).  The high-level auroral activity
  58. may lead to formation of complex hydrocarbon molecules that are
  59. carried toward the equator.  The mid-latitude auroras, which
  60. occur only in sunlit regions, remain a puzzle, since bombardment
  61. by electrons and ions, known to cause auroras on Earth, occurs
  62. primarily at high latitudes.
  63.         Both Voyagers measured the rotation of Saturn (the
  64. length of a day) at 10 hours, 39 minutes, 24 seconds.
  65. THE RINGS
  66.         Perhaps the greatest surprises and the most perplexing
  67. puzzles the two Voyagers found are in the rings.
  68.         Voyager 1 found much structure in the classical A-, B-
  69. and C-rings.  Some scientists suggest that the structure might be
  70. unresolved ringlets and gaps.  Photos by Voyager 1 were of lower
  71. resolution than those of Voyager 2, and scientists at first
  72. believed the gaps might be created by tiny satellites orbiting
  73. within the rings and sweeping out bands of particles.  One such
  74. gap was detected at the inner edge of the Cassini Division.
  75.         Voyager 2 measurements provided the data scientists
  76. need to understand the structure.  High-resolution photos of the
  77. inner edge of the Cassini Division showed no sign of satellites
  78. larger than five to nine kilometers (three to six miles). No 
  79. systematic searches were conducted in other ring gaps.
  80.         Voyager 2's photopolarimeter provided more surprises. 
  81. The instrument measured changes in starlight from Delta Scorpii
  82. as Voyager 2 flew above the rings and the light passed through
  83. them.  The photopolarimeter could resolve structure smaller than
  84. 300 meters (1,000 feet).
  85.         The star-occultation experiment showed that few clear
  86. gaps exist in the rings.  The structure in the B-ring, instead,
  87. appears to be variations in density waves or other, stationary,
  88. forms of waves.  Density waves are formed by the gravitational
  89. effects of Saturn's satellites.  (The resonant points are places
  90. where a particle would orbit Saturn in one-half or one-third the
  91. time needed by a satellite, such as Mimas.)  For example, at the
  92. 2:1 resonant point with 1980S1, a series of outward-propagating
  93. density waves has about 60 grams of material per square
  94. centimeter of ring area, and the velocity of particles relative
  95. to one another is about one millimeter per second.  Small-scale
  96. structure of the rings may therefore be transitory, although
  97. larger-scale features, such as the Cassini and Encke Divisions,
  98. appear more permanent.
  99.         The edges of the rings where the few gaps exist are so
  100. sharp that the ring must be less than about 200 meters (650 feet)
  101. thick there, and may be only 10 meters (33 feet) thick.
  102.         In almost every case where clear gaps do appear in the
  103. rings, eccentric ringlets are found.  All show variations in
  104. brightness.  Some differences are due to clumping or kinking, and
  105. others to nearly complete absence of material.  Some scientists
  106.  
  107. believe the only plausible explanation for the clear regions and
  108. kinky ringlets is the presence of nearby undetected satellites.
  109.         Two separate, discontinuous ringlets were found in the
  110. A-ring gap, known as Encke's Gap, about 73,000 kilometers (45,000
  111. miles) from Saturn's cloud tops.  At high resolution, at least
  112. one of the ringlets has multiple strands.
  113.         Saturn's F-ring was discovered by Pioneer 11 in 1979. 
  114. Photos of the F-ring taken by Voyager 1 showed three separate
  115. strands that appear twisted or braided.  At higher resolution,
  116. Voyager 2 found five separate strands in a region that had no
  117. apparent braiding, and surprisingly revealed only one small
  118. region where the F-ring appeared twisted.  The photopolarimeter
  119. found the brightest of the F-ring strands was subdivided into at
  120. least 10 strands.  The twists are believed to originate in
  121. gravitational perturbations caused by one of two shepherding
  122. satellites, 1980S27.  Clumps in the F-ring appear uniformly
  123. distributed around the ring every 9,000 kilometers (6,999 miles),
  124. a spacing that very nearly coincides with the relative motion of
  125. F-ring particles and the interior shepherding satellite in one
  126. orbital period.  By analogy, similar mechanisms might be
  127. operating for the kinky ringlets that exist in the Encke Gap.
  128.         The spokes found in the B-ring appear only at radial
  129. distances between 43,000 kilometers (27,000 miles) and 57,000
  130. kilometers (35,000 miles) above Saturn's clouds.  Some spokes,
  131. those thought to be most recently formed, are narrow and have a
  132. radial alignment, and appear to corotate with Saturn's magneticfield in 10 hours, 39.4 minutes.  The broader, less radial spokes
  133. appear to have formed earlier than the narrow examples and seem
  134. to follow Keplerian orbits:  Individual areas corotate at speeds
  135. governed by distances from the center of the planet.  In some
  136. cases, scientists believe they see evidence that new spokes are
  137. reprinted over older ones.  Their formation is not restricted to
  138. regions near the planet's shadow, but seems to favor a particular
  139. Saturnian longitude.  As both spacecraft approached Saturn, the
  140. spokes appeared dark against a bright ring background.  As the
  141. Voyagers departed, the spokes appeared brighter than the
  142. surrounding ring areas, indicating that the material scatters
  143. reflected sunlight more efficiently in a forward direction, a
  144. quality that is characteristic of fine, dust-sized particles. 
  145. Spokes are also visible at high phase angles in light reflected
  146. from Saturn on the unilluminated underside of the rings.
  147.         Another challenge scientists face in understanding the
  148. rings is that even general dimensions do not seem to remain true
  149. at all positions around Saturn:  The distance of the B-ring;s
  150. outer edge, near a 2:1 resonance with Mimas, varies by at least
  151. 140 kilometers (90 miles) and probably by as much as 200
  152. kilometers (120 miles).  Furthermore, the elliptical shape of the
  153. outer edge does not follow a Keplerian orbit, since Saturn is at
  154. the center of the ellipse, rather than at one focus.  The
  155. gravitational effects of Mimas are most likely responsible for
  156. the elliptical shape, as well as for the variable width of the
  157. Huygens Gap between the B-ring and the Cassini Division.
  158.  
  159. TITAN
  160.         Titan is the largest of Saturn's satellites.  It is the
  161. second largest satellite in the solar system, and the only one
  162. know to have a dense atmosphere.
  163.         It may be the most interesting body, from a terrestrial
  164. perspective, in the solar system.  For almost two decades, space
  165. scientists have searched for clues to the primeval Earth.  The
  166. chemistry in Titan's atmosphere may be similar to what occurred
  167. in Earth's atmosphere several billion years ago.
  168.         Because of its thick, opaque atmosphere, astronomers
  169. believed Titan was the largest satellite in the solar system. 
  170. Their measurements were necessarily limited to the cloud tops. 
  171. Voyager 1's close approach and diametric radio occultation show
  172. Titan's surface diameter is only 5,150 kilometers (3,200 miles) -
  173. - slightly smaller than Ganymede, Jupiter's largest satellite. 
  174. Both are larger than Mercury.  Titan's density appears to be
  175. about twice that of water ice; it may be composed of nearly equal
  176. amounts of rock and ice.
  177.         Titan's surface cannot be seen in any Voyager photos;
  178. it is hidden by a dense, photochemical haze whose main layer is
  179. about 300 kilometers (200 miles) above Titan's surface.  Several
  180. distinct, detached haze layers can be seen above the opaque haze
  181. layer.  The haze layers merge with the main layer over the north
  182. pole of Titan, forming what scientists first thought was a dark
  183. hood.  The hood was found, under the better viewing conditions of
  184. Voyager 2, to be a dark ring around the pole.  The southernhemisphere is slightly brighter than the northern, possibly the
  185. result of seasonal effects.  When the Voyagers flew past, the
  186. season on Titan was the equivalent of mid-April and early May on
  187. Earth, or early spring in the northern hemisphere and early fall
  188. in the south.
  189.         Atmospheric pressure near Titan's surface is about 1.6
  190. bars, 60 percent greater than Earth's.  The atmosphere is mostly
  191. nitrogen, also the major constituent of Earth's atmosphere.
  192.         The surface temperature appears to be about 95 Kelvins
  193. (-289 degrees Fahrenheit), only 4 Kelvins above the triple-point
  194. temperature of methane.  Methane, however, appears to be below
  195. its saturation pressure near Titan's surface; rivers and lakes of
  196. methane probably don't exist, in spite of the tantalizing analogy
  197. to water on Earth.  On the other hand, scientists believe lakes
  198. of ethane exist, and methane is probably dissolved in the ethane. 
  199. Titan's methane, through continuing photochemistry, is converted
  200. to ethane, acetylene, ethylene, and (when combined with nitrogen)
  201. hydrogen cyanide.  The last is an especially important molecule;
  202. it is a building block of amino acids.  Titan's low temperature
  203. undoubtedly inhibits more complex organic chemistry.
  204.         Titan has no intrinsic magnetic field; therefore it has
  205. no electrically conducting and convecting liquid core.  Its
  206. interaction with Saturn's magnetosphere creates a magnetic wake
  207. behind Titan.  The big satellite also serves as a source for both
  208. neutral and charged hydrogen atoms in Saturn's magnetosphere.
  209.  
  210.  
  211. NEW SATELLITES
  212.         Before the first Voyager encounter, astronomers
  213. believed Saturn had 11 satellites.  Now they know it has at least
  214. 17 and possibly more.  Three of the 17 were discovered by Voyager
  215. 1.  Three additional possible satellites have been identified in
  216. imaging data since the Voyager 2 encounter.  (Three others were
  217. discovered in ground-based observations.)
  218.         The innermost satellite, Atlas, orbits near the outer
  219. edge of the A-ring and is about 40 by 20 kilometers (25 by 15
  220. miles) in size.  It was discovered in Voyager 1 images.
  221.         The next satellite outward, Prometheus, shepherds the
  222. inner edge of the F-ring and is about 140 by 100 by 80 kilometers
  223. (90 by 60 by 50 miles).  Next is Pandora, outer shepherd of the
  224. F-ring, 110 by 90 by 80 kilometers (70 by 55 by 50 miles).  Both
  225. shepherds were found by Voyager 1.
  226.         Next are Epimetheus and Janus, which share about the
  227. same orbit -- 91,000 kilometers (56,600 miles) above the clouds. 
  228. As they near each other, the satellites trade orbits (the outer
  229. is about 50 kilometers, or 30 miles, farther from Saturn than the
  230. inner).  Janus is 220 by 200 by 160 kilometers (140 by 125 by 100
  231. miles), and Epimetheus is 140 by 120 by 100 kilometers (90 by 70
  232. by 50 miles).  Both were discovered by ground-based observers.
  233.         One new satellite, Helene, shares the orbit of Dione,
  234. about 60 degrees ahead of its larger companion, and is called the
  235. Dione Trojan.  It is about 36 by 32 by 30 kilometers (22 by 20 by
  236. 19 miles). Helene was discovered in ground-based photographs.
  237.         Two more satellites are called the Tethys Trojans
  238. because they circle Saturn in the same orbit as Tethys, about 60
  239. degrees ahead of and behind that body.  They are Telesto (the
  240. leading Trojan) and Calypso (the trailing Trojan).  Both were
  241. found in 1981 among ground-based observations made in 1980. 
  242. Telesto is 34 by 28 by 26 kilometers (21 by 17 by 16 miles) and
  243. Calypso is 34 by 22 by 22 kilometers (21 by 14 by 14 miles).
  244.         There are three unconfirmed satellites.  One circles
  245. Saturn in the orbit of Dione, a second is located between the
  246. orbits of Tethys and Dione, and the third, between Dione and
  247. Rhea.  All three were found in Voyager photographs, but were not
  248. confirmed by more than one sighting.
  249. OTHER SATELLITES
  250.         Mimas, Enceladus, Tethys, Dione, and Rhea are
  251. approximately spherical in shape and appear to be composed mostly
  252. of water ice.  Enceladus reflects almost 100 percent of the
  253. sunlight that strikes it.  All five satellites represent a size
  254. range that had not been explored before.
  255.         Mimas, Tethys, Dione, and Rhea are all cratered;
  256. Enceladus appears to have by far the most active surface of any
  257. satellite in the system (with the possible exception of Titan,
  258. whose surface was not photographed).  At least five types of
  259. terrain have been identified on Enceladus.  Although craters can
  260. be seen across portions of its surface, the lack of craters in
  261. other areas implies an age less than a few hundred million years
  262. for the youngest regions.  It seems likely that parts of the
  263.  
  264. surface are still undergoing change, since some areas are covered
  265. by ridged plains with no evidence of cratering down to the limit
  266. of resolution of Voyager 2's cameras (2 kilometers or 1.2 miles). 
  267. A pattern of linear faults crisscrosses other areas.  It is not
  268. likely that a satellite as small as Enceladus could have enough
  269. radioactive material to produce the modification.  A more likely
  270. source of heating appears to be tidal interaction with Saturn,
  271. caused by perturbations in Enceladus' orbit by Dione (like
  272. Jupiter's satellite Io).  Theories of tidal heating do not
  273. predict generation of enough energy to explain all the heating
  274. that must have occurred.  Because it reflects so much sunlight,
  275. Enceladus' current surface temperature is only 72 Kelvins (-330
  276. degrees Fahrenheit).
  277.         Photos of Mimas show a huge impact crater.  The crater,
  278. named Herschel, is 130 kilometers (80 miles) wide, one-third the
  279. diameter of Mimas.  Herschel is 10 kilometers (6 miles) deep,
  280. with a central mountain almost as high as Mount Everest on Earth.
  281.         Photos of Tethys taken by Voyager 2 show an even larger
  282. impact crater, named Odysseus, nearly one-third the diameter of
  283. Tethys and larger than Mimas.  In contrast to Mimas' Herschel,
  284. the floor of Odysseus returned to about the original shape of the
  285. surface, most likely a result of Tethys' larger gravity and the
  286. relative fluidity of water ice.  A gigantic fracture covers
  287. three-fourths of Tethys' circumference.  The fissure is about the
  288. size scientists would predict if Tethys were once fluid and its
  289. crust hardened before the interior, although the expansion of theinterior due to freezing would not be expected to cause only one
  290. large crack.  The canyon has been named Ithaca Chasma.  Tethys'
  291. surface temperature is 86 Kelvins (-305 degrees Fahrenheit).
  292.         Hyperion shows no evidence of internal activity.  Its
  293. irregular shape causes an unusual phenomenon:  Each time Hyperion
  294. passes Titan, the larger satellite's gravity gives Hyperion a tug
  295. and it tumbles erratically, changing orientation.  The irregular
  296. shape of Hyperion and evidence of bombardment by meteors make it
  297. appear to be the oldest surface in the Saturn system.
  298.         Iapetus has long been known to have large differences
  299. in surface brightness.  Brightness of the surface material on the
  300. trailing side has been measured at 50 percent, while material on
  301. the leading side reflects only 5 percent of the sunlight.  Most
  302. dark material is distributed in a pattern directly centered on
  303. the leading surface, causing conjecture that dark material in
  304. orbit around Saturn was swept up by Iapetus.  The trailing face
  305. of Iapetus, however, has craters with dark floors.  That implies
  306. that the dark material originated in the satellite's interior. 
  307. It is possible that the dark material on the leading hemisphere
  308. was exposed by ablation (erosion) of a thin, overlying, bright
  309. surface covering.
  310.         Voyager 2 photographed Phoebe after passing Saturn. 
  311. Phoebe orbits Saturn in a retrograde direction (opposite to the
  312. direction of the other satellites' orbits) in a plane much closer
  313. to the ecliptic than to Saturn's equatorial plane.  Voyager 2
  314. found that Phoebe has a roughly circular shape, and reflects
  315.  
  316. about 6 percent of the sunlight.  It also is quite red.  Phoebe
  317. rotates on its axis about once in nine hours.  Thus, unlike the
  318. other Saturnian satellites (except Hyperion), it does not always
  319. show the same face to the planet.  If, as scientists believe,
  320. Phoebe is a captured asteroid with its composition unmodified
  321. since its formation in the outer solar system, it is the first
  322. such object that has been photographed at close enough range to
  323. show shape and surface brightness.
  324.         Both Dione and Rhea have bright, wispy streaks that
  325. stand out against an already-bright surface.  The streaks are
  326. probably the results of ice that evolved from the interior along
  327. fractures in the crust.
  328. THE MAGNETOSPHERE
  329.         The size of Saturn's magnetosphere is determined by
  330. external pressure of the solar wind.  When Voyager 2 entered the
  331. magnetosphere, the solar-wind pressure was high and the magneto-
  332. sphere extended only 19 Saturn radii (1.1 million kilometers or
  333. 712,000 miles) in the Sun's direction.  Several hours later,
  334. however, the solar-wind pressure dropped and Saturn's magneto-
  335. sphere ballooned outward over a six-hour period.  It apparently
  336. remained inflated for at least three days, since it was 70
  337. percent larger when Voyager 2 crossed the magnetic boundary on
  338. the outbound leg.
  339.         Unlike all the other planets whose magnetic fields have
  340. been measured, Saturn's field is tipped less than one degree
  341. relative to the rotation poles.  That rare alignment was firstmeasured by Pioneer 11 in 1979 and was later confirmed by
  342. Voyagers 1 and 2.
  343.         Several distinct regions have been identified within
  344. Saturn's magnetosphere.  Inside about 400,000 kilometers (250,000
  345. miles) there is a torus of H+ and O+ ions, probably originating
  346. from water ice sputtered from the surfaces of Dione and Tethys. 
  347. (The ions are positively charged atoms of hydrogen and oxygen
  348. that have lost one electron.)  Strong plasma-wave emissions
  349. appear to be associated with the inner torus.
  350.         At the outer regions of the inner torus some ions have
  351. been accelerated to high velocities.  In terms of temperatures,
  352. such velocities correspond to 400 million to 500 million Kelvins
  353. (700 to 900 million degrees Fahrenheit).
  354.         Outside the inner torus is a thick sheet of plasma that
  355. extends out to about 1 million kilometers (600,000 miles).  The
  356. source for material in the outer plasma sheet is probably
  357. Saturn's ionosphere, Titan's atmosphere, and the neutral hydrogen
  358. torus that surrounds Titan between 500,000 kilometers (300,000
  359. miles) and 1.5 million kilometers (1 million miles).
  360.         Radio emissions from Saturn had changed between the
  361. encounters of Voyager 1 and 2.  Voyager 2 detected Jupiter's
  362. magnetotail as the spacecraft approached Saturn in the winter and
  363. early spring of 1981.  Son afterward, when Saturn was believed to
  364. be bathed in the Jovian magnetotail, the ringed planet's
  365. kilometric radio emissions were undetectable.
  366.         During portions of Voyager 2's Saturn encounter,
  367.  
  368. kilometric radio emissions again were not detected.  The
  369. observations are consistent with Saturn's being immersed in
  370. Jupiter's magnetotail, as was also the apparent reduction in
  371. solar-wind pressure mentioned earlier, although Voyager
  372. scientists say they have no direct evidence that those effects
  373. were caused by Jupiter's magnetotail.
  374.                               #####
  375. 5/4/90DB
  376.