Warum ist Saturn in diesem Radarbild seiner Ringe unsichtbar?

Das Hauptproblem ist, dass es in der Saturnatmosphäre relativ wenig Material gibt, das Radarwellen effizient streuen kann, sodass das Radar im Grunde nur absorbiert wird.

Der entscheidende Punkt ist, dass es viel schwieriger ist, ein Radarecho von den sehr kleinen Objekten (Aerosoltröpfchen oder winzige Eispartikel), die Wolken in der oberen Atmosphäre des Saturn bilden würden, zu erhalten, als die metergroßen Eisbrocken in den Ringen zu erkennen.

Die Abbildung unten (von hier ) zeigt$\sigma / (\pi r^{2})$, der der "effektive" Streuquerschnitt relativ zum geometrischen Querschnitt eines streuenden Objekts ist, aufgetragen gegen die Größe des Objekts$r$relativ zur Lichtwellenlänge$\lambda$(z. B. die beim Radar verwendeten Funkwellen). Wenn die Größe des Objekts ungefähr gleich groß wie die Wellenlänge des Lichts oder größer ist, werden sie effizient gestreut: Sein effektiver Querschnitt ist ungefähr derselbe wie sein geometrischer Querschnitt (ohne Berücksichtigung anderer Effekte wie chemische Zusammensetzung, Oberflächenrauheit usw.). .). Manchmal kann es sogar um ein Vielfaches größer sein!

Aber wenn die Objekte kleiner als die Wellenlänge werden, geht man in das Rayleigh-Streuungsregime über, wo die Streuung in der sechsten Potenz von der Größe des Objekts abhängt .

Stellen Sie sich eine Kugel mit einem Radius von 10 cm vor, ungefähr so ​​groß wie typische Radarwellenlängen (so$2 \pi r / \lambda \sim 1$). Es wird einen effektiven Querschnitt haben, der seinem geometrischen Querschnitt ähnlich ist: etwa 300 cm$^2$. Stellen Sie sich nun vor, Sie würden dieses Objekt in Kugeln mit einem Zehntel des Radius unterteilen. Dies würde etwa 1000 Objekte mit einem Radius von 1 cm bedeuten (damit das Gesamtvolumen gleich ist), mit einem geometrischen Gesamtquerschnitt von etwa 3000 cm$^2$(realistisch etwas weniger, wegen Abschattung). Aber das Diagramm zeigt, dass der effektive Wirkungsquerschnitt um den Faktor 1000 abnimmt, sodass der gesamte Radarwirkungsquerschnitt aller kleinen Objekte – und damit die zurückgestreute Energie der Radarwellen – zehnmal kleiner wäre als vorher das einzelne große Objekt des gleichen Gesamtvolumens. Und das nur für eine Größenreduzierung von zehn; in Wirklichkeit sprechen wir davon, von zentimeter- bis metergroßen Objekten (dem Ring) zu submm- und mikrometergroßen Wolkenpartikeln in der Saturnatmosphäre zu gelangen.

Aus diesem Grund kann Ihnen das Wetterradar auf der Erde Niederschlag (Regen, Schnee, Hagel) anzeigen – weil die Regentropfen/etc. sind groß (einige mm groß) und können Radarwellen mit einiger Effizienz streuen -- können Ihnen aber normalerweise keine Wolken zeigen -- weil die Wassertröpfchen, aus denen Wolken bestehen, so klein sind. (Und offensichtlich wäre Radar für das Militär nicht annähernd so nützlich, wenn es leicht von Wolken zerstreut werden würde.)

Also – ohne schwimmende Brocken von zentimetergroßem oder großem Eis in der oberen Atmosphäre des Saturn – werden Sie vom Saturn selbst nicht viel Radarecho zurückbekommen. Die ursprüngliche Entdeckung von Radarechos von den Ringen überraschte die Leute, weil angenommen worden war, dass die Ringe aus sehr kleinen (z. B. mikrometergroßen ) Eisstücken bestanden , die Radarwellen ebenfalls nicht effizient reflektieren würden.

Die Bilder, die Sie präsentieren, sind keine wörtlichen Bilder von Saturns Ringen. Es sind „Doppler-Verzögerungs“-Plots: Die vertikale Achse stellt die Entfernung von der Erde dar, während die horizontale Achse die Geschwindigkeit auf die Erde zu oder von ihr weg darstellt. Da sich die Ringteilchen auf Kreisbahnen um den Saturn bewegen, entsteht eine Ellipsenkarte.

Ein weiterer Beweis dafür, dass dies kein wörtliches Bild ist, ist die Tatsache, dass die Ringe nicht konzentrisch sind. Der B-Ring ist näher am Saturn als der A-Ring (weniger Schwankungen auf der vertikalen Skala), aber weil er näher ist, bewegen sich die Teilchen schneller (mehr Schwankungen auf der horizontalen Achse).

Das Fehlen von Saturn, wie kurz in dem von Ihnen erwähnten Artikel erwähnt, liegt daran, dass er einfach nicht sehr hell ist. Im Vergleich zu den großen Bereichen der Ringe bewegt sich nur ein kleiner Teil des Saturn mit einer bestimmten Kombination aus Geschwindigkeit und Entfernung, und atmosphärische Gase sind nur schwache Radarreflektoren, während Gestein ein starker Reflektor ist. Laut den Abbildungen 3 und 4 in der Veröffentlichung wäre Saturn, wenn er sichtbar wäre, ein Bogen in der Mitte des Diagramms, der sich vertikal von 0 bis etwa -200 und horizontal von -141 bis +141 erstreckt.