Magnetosphäre des Saturn

Die Magnetosphäre des Saturn ist der Hohlraum, der durch das vom Planeten erzeugte Magnetfeld im Sonnenwind entsteht . Sie wurde 1979 von der Raumsonde Pioneer 11 entdeckt und ist nach der des Jupiter die zweitgrößte Magnetosphäre aller Planeten im Sonnensystem . Die Magnetopause , die Grenze zwischen Saturns Magnetosphäre und dem Sonnenwind, befindet sich in einer Entfernung von etwa 20 Saturnradien vom Planetenmittelpunkt, während sich der Magnetoschweif Hunderte von Saturnradien dahinter erstreckt.

Saturns Magnetosphäre ist mit Plasmen gefüllt , die sowohl vom Planeten selbst als auch von seinen Monden stammen. Die Hauptquelle ist der kleine Mond Enceladus , der an seinem Südpol Geysire mit einer Rate von bis zu 1000 kg/s Wasserdampf ausstößt. Ein Teil davon wird ionisiert und zur Mitrotation mit dem Magnetfeld Saturns gezwungen. Dadurch wird das Magnetfeld mit bis zu 100 kg Wassergruppenionen pro Sekunde angereichert . Dieses Plasma strömt allmählich durch den Austauschinstabilitätsmechanismus aus der inneren Magnetosphäre nach außen und entweicht dann durch den Magnetoschweif.

Die Wechselwirkung zwischen Saturns Magnetosphäre und dem Sonnenwind erzeugt helle, ovale Polarlichter um die Pole des Planeten, die im sichtbaren, infraroten und ultravioletten Licht beobachtet werden können. Diese Polarlichter hängen mit der starken Saturn-Kilometerstrahlung (SKR) zusammen, die den Frequenzbereich von 100 kHz bis 1300  kHz abdeckt und deren Modulation man einst mit einer Periode gleich der Planetenrotation annahm. Spätere Messungen zeigten jedoch, dass die Periodizität der SKR-Modulation um bis zu 1 % variiert und daher wahrscheinlich nicht exakt mit Saturns tatsächlicher Rotationsperiode übereinstimmt, die bis heute (Stand 2010) unbekannt ist. Innerhalb der Magnetosphäre befinden sich Strahlungsgürtel, die Teilchen mit Energien von bis zu mehreren zehn Megaelektronenvolt enthalten . Diese energiereichen Teilchen haben einen signifikanten Einfluss auf die Oberflächen der inneren Eismonde Saturns .

In den Jahren 1980–1981 wurde die Magnetosphäre des Saturn von den Voyager- Raumsonden untersucht . Bis September 2017 war sie Gegenstand laufender Forschungen der Cassini-Mission , die 2004 eintraf und den Planeten über 13 Jahre lang beobachtete.

Unmittelbar nach der Entdeckung der dekametrischen Radiostrahlung Jupiters im Jahr 1955 wurden Versuche unternommen, eine ähnliche Strahlung von Saturn nachzuweisen, jedoch ohne eindeutigen Erfolg. ^{[ 9 ]} Erste Hinweise darauf, dass Saturn ein internes Magnetfeld besitzen könnte, lieferte 1974 der Nachweis schwacher Radiostrahlung des Planeten bei einer Frequenz von etwa 1 MHz.

Diese mittelwelligen Emissionen wiesen eine Modulation mit einer Periode von etwa 10 Stunden und 30 Minuten auf, die als Rotationsperiode des Saturn interpretiert wurde . ^{[ 10 ]} Die in den 1970er Jahren verfügbaren Beweise waren jedoch zu unschlüssig, und einige Wissenschaftler vermuteten, dass Saturn möglicherweise gar kein Magnetfeld besitzt, während andere sogar spekulierten, der Planet könnte sich jenseits der Heliopause befinden . ^{[ 11 ]} Der erste eindeutige Nachweis des Saturn-Magnetfelds gelang erst am 1. September 1979, als die Raumsonde Pioneer 11 den Planeten durchflog und seine Magnetfeldstärke direkt maß. ^{[ 2 ]}

Wie das Magnetfeld des Jupiters entsteht auch das des Saturns durch einen Fluiddynamo in einer Schicht aus zirkulierendem flüssigem metallischem Wasserstoff in seinem äußeren Kern. ^{[ 1 ]} Wie auf der Erde ist das Magnetfeld des Saturns größtenteils ein Dipol mit Nord- und Südpol an den Enden einer einzigen magnetischen Achse. ^{[ 12 ]} Auf Saturn befindet sich, wie auf Jupiter, der magnetische Nordpol auf der Nordhalbkugel und der magnetische Südpol auf der Südhalbkugel, sodass die Magnetfeldlinien vom Nordpol weg und zum Südpol hin verlaufen. Dies ist im Vergleich zur Erde umgekehrt, wo sich der magnetische Nordpol auf der Südhalbkugel befindet. ^{[ 13 ]} Das Magnetfeld des Saturns weist auch Quadrupol- , Oktupol- und höhere Komponenten auf, die jedoch deutlich schwächer als der Dipol sind. ^{[ 12 ]}

Die Magnetfeldstärke am Saturnäquator beträgt etwa 21  μT (0,21  G ), was einem magnetischen Dipolmoment von etwa 4,6 × ^10¹⁸ T · m³ entspricht ^{. [ 2 ]} Damit ist Saturns Magnetfeld etwas schwächer als das der Erde; sein magnetisches Moment ist jedoch etwa 580-mal größer. ^{[ 1 ]} Saturns magnetischer Dipol ist exakt entlang seiner Rotationsachse ausgerichtet, was bedeutet, dass das Feld als einziges hochgradig rotationssymmetrisch ist. [ ^{12 ] Der} _{Dipol ist entlang Saturns Rotationsachse leicht (um 0,037 R _s} ) in Richtung Nordpol verschoben . ^{[ 2 ]}

Saturns inneres Magnetfeld lenkt den Sonnenwind , einen Strom ionisierter Teilchen der Sonne , von seiner Oberfläche ab und verhindert so eine direkte Wechselwirkung mit seiner Atmosphäre. Stattdessen bildet sich eine eigene Region, die sogenannte Magnetosphäre, deren Plasma sich deutlich vom Sonnenwind unterscheidet. ^{[ 12 ]} Die Magnetosphäre Saturns ist nach der Jupitermagnetosphäre die zweitgrößte im Sonnensystem. ^{[ 3 ]}

Wie bei der Magnetosphäre der Erde wird die Grenze zwischen dem Plasma des Sonnenwinds und dem Plasma innerhalb der Saturnmagnetosphäre als Magnetopause bezeichnet . ^{[ 2 ]} Der Abstand der Magnetopause vom Planetenmittelpunkt am Subsolarpunkt ^{[ Anmerkung 1 ]} variiert stark zwischen 16 und 27 R_{_s} (R _{_s} = 60.330 km ist der Äquatorialradius des Saturn). ^{[ 14 ] [ 15 ]} Die Position der Magnetopause hängt vom Druck des Sonnenwinds ab, welcher wiederum von der Sonnenaktivität abhängt . Der mittlere Abstand der Magnetopause beträgt etwa 22 R_{_s} . ^{[ 6 ]} Vor der Magnetopause (in einem Abstand von etwa 27 R_{_s} vom Planeten) ^{[ 6 ]} befindet sich der Bugstoß , eine nachlaufartige Störung im Sonnenwind, die durch die Kollision mit der Magnetosphäre verursacht wird. Die Region zwischen Bugstoß und Magnetopause wird als Magnetosheath bezeichnet . ^{[ 16 ]}

Auf der gegenüberliegenden Seite des Planeten dehnt der Sonnenwind Saturns Magnetfeldlinien zu einem langen, nachlaufenden Magnetoschweif aus ^{[ 12 ]} , der aus zwei Loben besteht. Das Magnetfeld des nördlichen Lobs ist von Saturn weg, das des südlichen zu ihm hin gerichtet ^{[ 16 ]} . Die Loben sind durch eine dünne Plasmaschicht, die sogenannte Schweifstromschicht , getrennt ^{[ 13 ]} . Wie bei der Erde ist Saturns Schweif ein Kanal, durch den Sonnenplasma in die inneren Bereiche der Magnetosphäre eintritt ^{[ 17 ]} . Ähnlich wie bei Jupiter ist der Schweif der Kanal, durch den das Plasma inneren magnetosphärischen Ursprungs die Magnetosphäre verlässt ^{[ 17 ]} . Das Plasma, das vom Schweif in die innere Magnetosphäre strömt, erhitzt sich und bildet mehrere Strahlungsgürtel ^{[ 12 ]} .

Saturns Magnetosphäre wird häufig in vier Regionen unterteilt. ^{[ 18 ]} Die innerste Region, die sich in etwa 3 Erdradien (R_{_S) innerhalb} der planetaren Ringe befindet , weist ein streng dipolares Magnetfeld auf. Sie ist weitgehend frei von Plasma, da dieses von Ringpartikeln absorbiert wird, obwohl sich die Strahlungsgürtel Saturns in dieser innersten Region, unmittelbar innerhalb und außerhalb der Ringe, befinden. ^{[ 18 ]} Die zweite Region zwischen 3 und 6 R_{_S} enthält den kalten Plasmatorus und wird als innere Magnetosphäre bezeichnet. Sie enthält das dichteste Plasma im Saturnsystem. Das Plasma im Torus stammt von den inneren Eismonden, insbesondere von Enceladus . ^{[ 18 ]} Auch das Magnetfeld in dieser Region ist überwiegend dipolar. ^{[ 19 ]} Die dritte Region liegt zwischen 6 und 12–14 R_{_S} und wird als dynamische und ausgedehnte Plasmaschicht bezeichnet . Das Magnetfeld in dieser Region ist gestreckt und nicht-dipolar ^{[ 18 ]} , während das Plasma auf eine dünne äquatoriale Plasmaschicht beschränkt ist ^{[ 19 ]} . Die viertäußerste Region befindet sich jenseits von 15 Sonnenradien _in hohen Breiten und erstreckt sich bis zur Magnetopausengrenze. Sie ist durch eine geringe Plasmadichte und ein variables, nicht-dipolares Magnetfeld gekennzeichnet, das stark vom Sonnenwind beeinflusst wird ^{[ 18 ] .}

In den äußeren Bereichen der Saturnmagnetosphäre jenseits von etwa 15–20 R _{_s} ^{[ 20 ]} ist das Magnetfeld nahe der Äquatorebene stark gedehnt und bildet eine scheibenförmige Struktur, die als Magnetodisk bezeichnet wird . ^{[ 21 ]} Die Scheibe erstreckt sich auf der Tagseite bis zur Magnetopause und geht auf der Nachtseite in den Magnetoschweif über. ^{[ 22 ]} Nahe der Tagseite kann sie fehlen, wenn die Magnetosphäre durch den Sonnenwind komprimiert wird, was üblicherweise der Fall ist, wenn der Abstand zur Magnetopause kleiner als 23 R_{_s} ist . Auf der Nachtseite und an den Flanken der Magnetosphäre ist die Magnetodisk stets vorhanden. ^{[ 21 ]} Die Saturnmagnetodisk ist ein deutlich kleineres Analogon der Jupitermagnetodisk. ^{[ 17 ]}

Die Plasmaschicht in Saturns Magnetosphäre weist eine schalenartige Form auf, die in keiner anderen bekannten Magnetosphäre zu finden ist. Als Cassini 2004 eintraf, herrschte Winter auf der Nordhalbkugel. Die Messungen des Magnetfelds und der Plasmadichte zeigten, dass die Plasmaschicht verformt war und nördlich der Äquatorebene lag, wodurch sie wie eine riesige Schüssel aussah. Eine solche Form war unerwartet. ^{[ 21 ]}

Die Prozesse, die Saturns Magnetosphäre antreiben, ähneln denen der Erde und Jupiters. ^{[ 23 ]} So wie Jupiters Magnetosphäre von der Plasma-Korotation und der Massenzufuhr von Io dominiert wird , wird auch Saturns Magnetosphäre von der Plasma-Korotation und der Massenzufuhr von Enceladus bestimmt . Saturns Magnetosphäre ist jedoch deutlich kleiner, und ihr innerer Bereich enthält zu wenig Plasma, um sie nennenswert auszudehnen und eine große Magnetoscheibe zu bilden. ^{[ 13 ] [ Anmerkung 2 ]} Dies bedeutet, dass sie viel stärker vom Sonnenwind beeinflusst wird und dass ihre Dynamik, ähnlich dem Erdmagnetfeld , durch Rekonnexion mit dem Sonnenwind gemäß dem Dungey-Zyklus beeinflusst wird . ^{[ 13 ]}

Ein weiteres charakteristisches Merkmal der Saturnmagnetosphäre ist der hohe Anteil an neutralem Gas um den Planeten. Wie Ultraviolettbeobachtungen der Cassini-Sonde zeigten, ist der Planet von einer großen Wolke aus Wasserstoff , Wasserdampf und deren Dissoziationsprodukten wie Hydroxyl umgeben , die sich bis zu 45 Erdradien (R_{_s)} von Saturn erstreckt. In der inneren Magnetosphäre beträgt das Verhältnis von neutralen Teilchen zu Ionen etwa 60 und steigt in der äußeren Magnetosphäre an. Dies bedeutet, dass das gesamte Magnetosphärenvolumen mit relativ dichtem, schwach ionisiertem Gas gefüllt ist. Dies unterscheidet sich beispielsweise von Jupiter oder der Erde, wo Ionen gegenüber neutralem Gas dominieren, und hat Auswirkungen auf die Dynamik der Magnetosphäre. ^{[ 24 ]}

Die Plasmazusammensetzung in Saturns innerer Magnetosphäre wird von Wassergruppenionen dominiert: O⁺ ^, H₂O⁺ _, ^OH⁺ und andere, _{Hydroniumionen} ( H₃O⁺ ₎ ^, HO₂⁺ und O₂⁺ _[ 4 ^{] ,} obwohl auch Protonen und Stickstoffionen (N⁺) vorhanden sind [25, 26]. Die Hauptquelle des Wassers ist Enceladus, der 300–600 kg/s Wasserdampf aus den Geysiren nahe seinem Südpol freisetzt [4, 27]. Das freigesetzte Wasser und Hydroxylradikale (OH ⁾ , ^{ein Produkt der Wasserspaltung , bilden einen relativ} dicken Torus um die Umlaufbahn des Mondes in 4 Erdradien (Rs) mit Dichten von bis zu 10.000 Molekülen ^{pro Kubikzentimeter [ 5 ] .} Mindestens ¹⁰⁰ _kg ^/ s ^{dieses Wassers werden} schließlich ionisiert und dem mitrotierenden Magnetosphärenplasma zugeführt. ^{[ 5 ]} Weitere Quellen für Ionen der Wassergruppe sind Saturns Ringe und andere Eismonde. ^{[ 27 ]} Die Raumsonde Cassini beobachtete außerdem geringe Mengen an N ⁺ -Ionen in der inneren Magnetosphäre, die wahrscheinlich ebenfalls von Enceladus stammen. ^{[ 28 ]}

In den äußeren Bereichen der Magnetosphäre dominieren Protonen, die entweder aus dem Sonnenwind oder der Ionosphäre des Saturn stammen. ^{[ 29 ]} Titan , der in einer Entfernung von 20 R_{_s} nahe der Magnetopausengrenze kreist , ist keine bedeutende Plasmaquelle. ^{[ 29 ] [ 30 ]}

Das relativ kalte Plasma im innersten Bereich der Saturnmagnetosphäre, innerhalb von 3 Sonnenradien ₍ nahe den Ringen), besteht hauptsächlich aus O ^+- und O2 ₊ ^-Ionen . ^{[ 25 ]} Diese Ionen bilden zusammen mit Elektronen eine Ionosphäre, die die Saturnringe umgibt. ^{[ 31 ]}

Sowohl bei Jupiter als auch bei Saturn wird angenommen, dass der Plasmatransport von den inneren zu den äußeren Bereichen der Magnetosphäre mit der Austauschinstabilität zusammenhängt. ^{[ 25 ] [ 32 ]} Im Fall von Saturn ermöglicht der Ladungsaustausch den Energietransfer von den zuvor heißen Ionen zu den neutralen Gasen in der inneren Magnetosphäre. ^{[ 33 ]} Anschließend tauschen sich mit diesem nun kalten, wasserreichen Plasma gefüllte magnetische Flussröhren mit Flussröhren aus, die mit heißem Plasma aus der äußeren Magnetosphäre gefüllt sind. ^{[ 25 ]} Die Instabilität wird durch die Zentrifugalkraft angetrieben , die das Plasma auf das Magnetfeld ausübt. ^{[ 18 ]} Das kalte Plasma wird schließlich durch Plasmoide aus der Magnetosphäre entfernt, die sich bei der Rekonnexion des Magnetfelds im Magnetoschweif bilden. ^{[ 32 ]} Die Plasmoide bewegen sich den Schweif hinab und entweichen so aus der Magnetosphäre. ^{[ 32 ]} Es wird angenommen, dass der Rekonnexionsprozess oder Substorm-Prozess vom Sonnenwind und Saturns größtem Mond Titan beeinflusst wird, der nahe der äußeren Grenze der Magnetosphäre kreist. ^{[ 30 ]}

In der Magnetodisk-Region, jenseits von 6 R_{_s} , übt das Plasma innerhalb der mitrotierenden Schicht eine signifikante Zentrifugalkraft auf das Magnetfeld aus, wodurch dieses gedehnt wird. ^{[ 34 ] [ Anmerkung 3 ]} Diese Wechselwirkung erzeugt einen Strom in der Äquatorialebene, der azimutal mit der Rotation fließt und sich bis zu 20 R_{_s} vom Planeten erstreckt. ^{[ 35 ]} Die Gesamtstärke dieses Stroms variiert zwischen 8 und 17  MA . ^{[ 34 ] [ 35 ]} Der Ringstrom in der Saturnmagnetosphäre ist stark variabel und hängt vom Sonnenwinddruck ab; er ist stärker, wenn der Druck schwächer ist. ^{[ 35 ]} Das mit diesem Strom verbundene magnetische Moment schwächt das Magnetfeld in der inneren Magnetosphäre geringfügig (um etwa 10 nT) ab, ^{[ 36 ]} obwohl es das gesamte magnetische Moment des Planeten erhöht und dadurch die Magnetosphäre vergrößert. ^{[ 35 ]}

Saturn besitzt helle Polarlichter, die im ultravioletten , sichtbaren und nahinfraroten Licht beobachtet wurden. ^{[ 37 ]} Die Polarlichter erscheinen üblicherweise als helle, geschlossene Kreise (Ovale), die die Pole des Planeten umgeben. ^{[ 38 ]} Die Breite der Polarlichter variiert zwischen 70° und 80°; ^{[ 8 ]} die durchschnittliche Position beträgt 75° ± 1° für das südliche Polarlicht, während das nördliche Polarlicht etwa 1,5° näher am Pol liegt. ^{[ 39 ] [ Anmerkung 4 ]} Gelegentlich können Polarlichter anstelle der ovalen Form eine Spiralform annehmen. In diesem Fall beginnt die Spirale gegen Mitternacht bei einer Breite von etwa 80° und sinkt dann bis auf 70° ab, während sie sich gegen den Uhrzeigersinn in die Morgen- und Tageszeit fortsetzt. ^{[ 41 ]} Im Abendsektor nimmt die Breite der Polarlichter wieder zu, obwohl sie im Nachtsektor immer noch eine relativ geringe Breite aufweist und keine Verbindung zum helleren Morgenbereich besteht. ^{[ 38 ]}

Anders als bei Jupiter stehen Saturns Haupt-Polarlichter nicht im Zusammenhang mit dem Zusammenbruch der Korotation des Plasmas in den äußeren Bereichen der Magnetosphäre. ^{[ 8 ]} Man geht davon aus, dass die Saturn-Polarlichter mit der Rekonnexion des Magnetfelds unter dem Einfluss des Sonnenwinds (Dungey-Zyklus) zusammenhängen. ^{[ 13 ]} Dieser treibt einen aufwärts gerichteten Strom (etwa 10 Millionen Ampere ) aus der Ionosphäre an, der zur Beschleunigung und zum Austritt hochenergetischer Elektronen (1–10 keV) in die polare Thermosphäre Saturns führt. ^{[ 43 ]} Die Saturn-Polarlichter ähneln eher denen der Erde, wo sie ebenfalls durch den Sonnenwind verursacht werden. ^{[ 38 ]} Die Ovale selbst entsprechen den Grenzen zwischen offenen und geschlossenen Magnetfeldlinien – den sogenannten Polkappen , die sich vermutlich in einem Abstand von 10–15° von den Polen befinden. ^{[ 43 ]}

Die Polarlichter des Saturns sind sehr variabel. ^{[ 38 ]} Ihre Position und Helligkeit hängen stark vom Sonnenwinddruck ab : Mit zunehmendem Sonnenwinddruck werden die Polarlichter heller und rücken näher an die Pole heran. ^{[ 38 ]} Die hellen Polarlichtstrukturen rotieren mit einer Winkelgeschwindigkeit von 60–75 % der Saturnrotationsgeschwindigkeit. Gelegentlich treten helle Strukturen im Morgengrauen des Hauptovals oder innerhalb dieses auf. ^{[ 41 ]} Die durchschnittliche Gesamtleistung der Polarlichter beträgt etwa 50 GW im fernen Ultraviolett (80–170 nm) und 150–300 GW im nahen Infrarot (3–4 μm – ^H₃⁺- Emissionen ₎ . ^{[ 8 ]}

Saturn ist die Quelle relativ starker niederfrequenter Radiostrahlung, der sogenannten Saturn-Kilometerstrahlung (SKR). Die Frequenz der SKR liegt im Bereich von 10–1300 kHz (Wellenlänge von einigen Kilometern) mit einem Maximum um 400 kHz. ^{[ 7 ]} Die Stärke dieser Strahlung wird stark durch die Rotation des Planeten moduliert und korreliert mit Änderungen des Sonnenwinddrucks. Beispielsweise nahm die SKR-Leistung stark ab oder verstummte sogar vollständig, als Saturn während des Vorbeiflugs von Voyager 2 im Jahr 1981 in den riesigen Magnetoschweif des Jupiters eintauchte. ^{[ 7 ] [ 44 ]} Man geht davon aus, dass die Kilometerstrahlung durch die Zyklotron-Maser-Instabilität von Elektronen erzeugt wird, die sich entlang von Magnetfeldlinien bewegen, welche mit den Polarlichtern des Saturn in Verbindung stehen. ^{[ 44 ]} Somit steht die SKR in Zusammenhang mit den Polarlichtern an den Polen des Planeten . Die Strahlung selbst umfasst spektral diffuse Emissionen sowie schmalbandige Töne mit Bandbreiten von bis zu 200 Hz. In der Frequenz-Zeit-Ebene sind häufig bogenförmige Strukturen zu beobachten, ähnlich wie bei der Jupiter-Kilometerstrahlung. ^{[ 44 ]} Die Gesamtleistung der SKR beträgt etwa 1 GW. ^{[ 7 ]}

Die Modulation der Radiostrahlung durch die Planetenrotation wird traditionell genutzt, um die Rotationsperiode des Inneren flüssiger Riesenplaneten zu bestimmen. ^{[ 45 ]} Im Fall von Saturn scheint dies jedoch unmöglich, da die Periode im Bereich von zehn Jahren variiert. 1980–1981 betrug die von Voyager 1 und 2 gemessene Periodizität der Radiostrahlung 10 h 39 min 24 ± 7 s , was damals als Rotationsperiode des Saturn angenommen wurde. Wissenschaftler waren überrascht, als Galileo und später Cassini einen anderen Wert lieferten: 10 h 45 min 45 ± 36 s . ^{[ 45 ]} Weitere Beobachtungen zeigten, dass sich die Modulationsperiode auf der charakteristischen Zeitskala von 20–30 Tagen um bis zu 1 % ändert, zusätzlich zu einem langfristigen Trend. Es besteht eine Korrelation zwischen der Periode und der Sonnenwindgeschwindigkeit; die Ursachen dieser Änderung sind jedoch weiterhin ungeklärt. ^{[ 45 ]} Ein Grund dafür könnte sein, dass das perfekt axialsymmetrische Magnetfeld des Saturns keine strikte Mitrotation des Magnetosphärenplasmas bewirkt, wodurch dieses relativ zum Planeten gleitet. Das Fehlen einer präzisen Korrelation zwischen der Variationsperiode der Saturnrotation und der Planetenrotation macht es nahezu unmöglich, die wahre Rotationsperiode des Saturn zu bestimmen. ^{[ 46 ]}

Saturn besitzt vergleichsweise schwache Strahlungsgürtel, da energiereiche Teilchen von den Monden und dem den Planeten umkreisenden Partikelmaterial absorbiert werden. ^{[ 47 ]} Der dichteste (Haupt-)Strahlungsgürtel liegt zwischen dem inneren Rand des Enceladus-Gastorus bei 3,5 R_{_S} und dem äußeren Rand des A-Rings bei 2,3 R_{_S} . Er enthält Protonen und relativistische Elektronen mit Energien von Hunderten Kiloelektronenvolt (keV) bis zu mehreren zehn Megaelektronenvolt (MeV) sowie möglicherweise weitere Ionen. ^{[ 48 ]} Jenseits von 3,5 R_{_S werden die energiereichen Teilchen vom neutralen Gas absorbiert und ihre Anzahl nimmt ab. Jenseits von 6 R_S} treten jedoch wieder weniger energiereiche Teilchen mit Energien im Bereich von Hunderten keV auf – dieselben Teilchen, die zum Ringstrom beitragen. ^{[ Anmerkung 3 ] [ 48 ]} Die Elektronen im Hauptstrahlungsgürtel stammen wahrscheinlich aus der äußeren Magnetosphäre oder dem Sonnenwind, von wo sie durch Diffusion transportiert und anschließend adiabatisch erhitzt werden. ^{[ 49 ]} Die energiereichen Protonen bestehen jedoch aus zwei Teilchenpopulationen. Die erste Population mit Energien von weniger als etwa 10 MeV hat denselben Ursprung wie die Elektronen, ^{[ 48 ]} während die zweite mit einem maximalen Fluss nahe 20 MeV aus der Wechselwirkung kosmischer Strahlung mit festem Material im Saturnsystem resultiert (sogenannter kosmischer Strahlungs-Albedo-Neutronenzerfall – CRAND). ^{[ 49 ]} Der Hauptstrahlungsgürtel des Saturn wird stark von Störungen des interplanetaren Sonnenwinds beeinflusst. ^{[ 48 ]}

Die innerste Region der Magnetosphäre nahe den Ringen ist im Allgemeinen frei von energiereichen Ionen und Elektronen, da diese von Ringpartikeln absorbiert werden. ^{[ 48 ]} Saturn besitzt jedoch einen zweiten Strahlungsgürtel, der 2004 von Cassini entdeckt wurde und sich direkt innerhalb des innersten D-Rings befindet . ^{[ 47 ]} Dieser Gürtel besteht wahrscheinlich aus energiereichen geladenen Teilchen, die durch den CRAND-Prozess entstehen, oder aus ionisierten energiereichen neutralen Atomen, die aus dem Hauptstrahlungsgürtel stammen. ^{[ 48 ]}

Die Strahlungsgürtel des Saturn sind im Allgemeinen deutlich schwächer als die des Jupiter und emittieren nur wenig Mikrowellenstrahlung (im Frequenzbereich von wenigen Gigahertz). Schätzungen zufolge wären ihre dezimetrischen Radiostrahlungen (DIM) von der Erde aus nicht nachweisbar. ^{[ 50 ]} Dennoch verursachen die hochenergetischen Teilchen Verwitterung an den Oberflächen der Eismonde und setzen Wasser, Wasserprodukte und Sauerstoff frei. ^{[ 49 ]}

Die große Anzahl fester Körper, die Saturn umkreisen, darunter Monde und Ringpartikel, beeinflusst die Magnetosphäre Saturns stark. Das Plasma in der Magnetosphäre rotiert mit dem Planeten und trifft kontinuierlich auf die nachlaufenden Hemisphären der sich langsam bewegenden Monde. ^{[ 51 ]} Während Ringpartikel und die meisten Monde Plasma und energiereiche geladene Teilchen nur passiv absorbieren, sind drei Monde – Enceladus, Dione und Titan – bedeutende Quellen für neues Plasma. ^{[ 52 ] [ 53 ]} Die Absorption energiereicher Elektronen und Ionen äußert sich in deutlichen Lücken in den Strahlungsgürteln Saturns in der Nähe der Mondbahnen, während die dichten Ringe Saturns alle energiereichen Elektronen und Ionen in einem Abstand von weniger als 2,2 R_{_S} eliminieren und so eine strahlungsarme Zone in der Nähe des Planeten erzeugen. ^{[ 48 ]} Die Absorption des mitrotierenden Plasmas durch einen Mond stört das Magnetfeld in seinem leeren Nachlauf – das Feld wird zum Mond hingezogen, wodurch in dessen unmittelbarer Nähe eine Region mit stärkerem Magnetfeld entsteht. ^{[ 51 ]}

Die drei oben genannten Monde führen der Magnetosphäre neues Plasma zu. Die mit Abstand stärkste Quelle ist Enceladus, der durch Risse in seiner Südpolregion eine Fontäne aus Wasserdampf, Kohlendioxid und Stickstoff ausstößt. ^{[ 27 ]} Ein Teil dieses Gases wird durch heiße Elektronen und solare Ultraviolettstrahlung ionisiert und dem mitrotierenden Plasmastrom hinzugefügt. ^{[ 52 ]} Titan galt einst als Hauptquelle für Plasma in Saturns Magnetosphäre, insbesondere für Stickstoff. Die neuen Daten, die Cassini zwischen 2004 und 2008 gewann, zeigten jedoch, dass er keine bedeutende Stickstoffquelle ist, ^{[ 29 ]} obwohl er möglicherweise noch erhebliche Mengen an Wasserstoff liefert (aufgrund der Dissoziation von Methan ). ^{[ 54 ]} Dione ist der dritte Mond, der mehr neues Plasma produziert als er absorbiert. Die in seiner Nähe erzeugte Plasmamasse (etwa 6 g/s) beträgt etwa 1/300 derjenigen in der Nähe von Enceladus. ^{[ 53 ]} Allerdings lässt sich selbst dieser niedrige Wert nicht allein durch das Abtragen der Eisoberfläche durch energiereiche Teilchen erklären, was darauf hindeuten könnte, dass Dione wie Enceladus endogen aktiv ist. Monde, die neues Plasma erzeugen, verlangsamen die Bewegung des mitrotierenden Plasmas in ihrer Umgebung. Dies führt zu einer Anhäufung der Magnetfeldlinien vor ihnen und einer Abschwächung des Feldes in ihrem Nachlauf – das Feld umhüllt sie quasi. ^{[ 55 ]} Dies steht im Gegensatz zu den Beobachtungen bei plasmaabsorbierenden Monden.

Das in der Magnetosphäre des Saturn vorhandene Plasma und die energiereichen Teilchen verursachen bei Absorption durch Ringpartikel und Monde die Radiolyse des Wassereises. Dabei entstehen Ozon , Wasserstoffperoxid und molekularer Sauerstoff . ^{[ 56 ]} Ozon wurde auf den Oberflächen von Rhea und Dione nachgewiesen, während Wasserstoffperoxid vermutlich für die steilen spektralen Flanken der Reflektivität der Monde im ultravioletten Bereich verantwortlich ist. ^{[ 56 ]} Der durch Radiolyse erzeugte Sauerstoff bildet dünne Atmosphären um Ringe und Eismonde. Die Ringatmosphäre wurde 2004 erstmals von Cassini nachgewiesen. ^{[ 57 ]} Ein Teil des Sauerstoffs wird ionisiert, wodurch eine geringe Anzahl von O²⁺-Ionen in der Magnetosphäre entsteht _. ^[ 56 ^{] Der Einfluss} der Saturnmagnetosphäre auf seine Monde ist subtiler als der Einfluss der Jupitermagnetosphäre auf die Jupitermonde. Letztere enthält eine signifikante Anzahl von Schwefelionen, die, wenn sie sich in Oberflächen einlagern, charakteristische spektrale Signaturen erzeugen. Im Falle des Saturns sind die Strahlungswerte wesentlich niedriger und das Plasma besteht hauptsächlich aus Wasserprodukten, die, wenn sie implantiert werden, vom bereits vorhandenen Eis nicht zu unterscheiden sind. ^{[ 56 ]}

Bis 2014 wurde die Magnetosphäre des Saturns von vier Raumsonden direkt erforscht. Die erste Mission zur Untersuchung der Magnetosphäre war Pioneer 11 im September 1979. Pioneer 11 entdeckte das Magnetfeld und führte Messungen der Plasmaparameter durch. ^{[ 2 ]} Im November 1980 und August 1981 untersuchten die Voyager-1- und Voyager-2- Sonden die Magnetosphäre mit verbesserten Instrumenten. ^{[ 2 ]} Aus ihren Vorbeiflugbahnen maßen sie das planetare Magnetfeld, die Plasmazusammensetzung und -dichte, die Energie und räumliche Verteilung hochenergetischer Teilchen, Plasmawellen und Radiostrahlung. Die Raumsonde Cassini wurde 1997 gestartet und erreichte die Erde 2004. Sie lieferte die ersten Messungen seit über zwei Jahrzehnten. Bis zu ihrer gezielten Zerstörung am 15. September 2017 lieferte die Sonde weiterhin Informationen über das Magnetfeld und die Plasmaparameter der Saturnmagnetosphäre.

In den 1990er Jahren führte die Raumsonde Ulysses umfangreiche Messungen der Saturn-Kilometerstrahlung (SKR) durch ^{[ 7 ]} , die aufgrund der Absorption in der Ionosphäre von der Erde aus nicht beobachtbar ist ^{[ 58 ]} . Die SKR ist so stark, dass sie von einer Raumsonde aus in einer Entfernung von mehreren Astronomischen Einheiten vom Planeten nachgewiesen werden kann. Ulysses entdeckte, dass die Periode der SKR um bis zu 1 % variiert und daher nicht direkt mit der Rotationsperiode des Saturninneren zusammenhängt ^{[ 7 ] .}

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