Κρόνος (πλανήτης)

Υλικά χαρακτηριστικά

Ο Κρόνος είναι γίγαντας αερίων καθώς αποτελείται βασικά από υδρογόνο και ήλιο. Δεν διαθέτει καθορισμένη επιφάνεια, αν και ίσως διαθέτει στερεό πυρήνα. Παρόλα αυτά, η ισημερινή ταχύτητα διαφυγής , σχεδόν 36 km/s, είναι πολύ υψηλότερη από αυτή της Γης.
Ο Κρόνος είναι ο μόνος πλανήτης που είναι λιγότερο πυκνός από το νερό—περίπου 30% λιγότερο. Παρότι ο πυρήνας του Κρόνου είναι αρκετά πυκνότερος του νερού, η μέση ειδική πυκνότητα του πλανήτη είναι 0.69 g/cm³ λόγω της ατμόσφαιρας. Ο Δίας έχει 318 φορές τη μάζα της Γης, και ο Κρόνος είναι 95 φορές μαζικότερος από τη Γη. Μαζί ο Δίας και ο Κρόνος κατέχουν 92% της συνολικής πλανητικής μάζας στο Ηλιακό Σύστημα.

Εσωτερική δομή

Παρότι αποτελείται επί το πλείστον από υδρογόνο και ήλιο, η πλειονότητα της μάζας του Κρόνου δεν είναι σε αέρια φάση, επειδή το υδρογόνο γίνεται  μη ιδεατό ρευστό όταν η πυκνότητα είναι μεγαλύτερη από 0,01  g/cm³, which is reached at a radius containing 99.9% of Saturn's mass. Η θερμοκρασία, η πίεση και η πυκνότητα στο εσωτερικό του Κρόνου αυξάνονται προς την κατεύθυνση του πυρήνα, κάτι που κάνει το υδρογόνο μέταλλο στα βαθύτερα στρώματα.
Τα καθιερωμένα πλανητικά μοντέλα διατείνονται ότι το εσωτερικό του Κρόνου είναι παρεμφερές με ατό του Δία, με έναν μικρό βραχώδη πυρήνα περιβεβλημένο από υδρογόνο και ήλιο με ίχνη διαφόρων volatiles. Αυτός ο πυρήνας είναι παρόμοιος σε σύσταση με τη Γη, αλλά πυκνότερος. Η εξέταση της βαρυτικής ροπής του Κρόνου, σε συνδυασμό με φυσικά μοντέλα του εσωτερικού, έχει επιτρέψει να τεθούν περιορισμοί στους υπολογισμούς της μάζας του πυρήνα του Κρόνου. Το 2004, επιστήμονες υπολόγισαν ότι ο πυρήνας πρέπει να έχει 9–22 φορές τη μάζα της Γης, που αντιστοιχεί σε μια διάμετρο περίπου 25000 km. Αυτός περιβάλλεται από μια παχύτερη στιβάδα υγρού μεταλλικού υδρογόνου, το οποίο ακολουθείται από ένα υγρό στρώμα μοριακού υδρογόνου κορεσμένου ε ήλιο που βαθμιαία μετατρέπεται σε αέριο όσο αυξάνει το υψόμετρο. Το εξώτερο στρώμα εκτείνεται 1000 km και αποτελείται από αέριο.
Ο Κρόνος έχει καυτό εσωτερικό, φτάνοντας θερμοκρασία 11700 °C τον πυρήνα του, και ακτινοβολεί 2,5 φορές περισσότερη ενέργεια στο διάστημα από αυτή που λαμβάνει από τον Ήλιο. Η θερμική ενέργεια του Δία παράγεται από τον μηχανισμό Κέλβιν-Χέλμχολτς της αργής βαρυτικής συμπίεσης, αλλά αυτή η διεργασία από μόνη της δεν είναι επαρκής για να εξηγήσει την παραγωγή θερμότητας του Κρόνου, καθώς εκείνος έχει μικρότερη μάζα. Ένας εναλλακτικός ή επιπλέον μηχανισμός μπορεί να είναι η παραγωγή θερμότητας μέσω  της "βροχής" σταγονιδίων ηλίου βαθειά στο εσωτερικό του Κρόνου. Καθώς οι σταγόνες πέφτουν μέσα από το χαμηλότερης πυκνότητας υδρογόνο, η διεργασία απελευθερώνει θερμότητα με τριβή και αφήνει τα εξωτερικά στρώματα του Κρόνου φτωχά σε ήλιο. Αυτά τα καταπίπτοντα σταγονίδια ίσως συσσωρεύονται σε ένα κέλυφος ηλίου που περιβάλλει τον πυρήνα. Βροχή διαμαντιών έχει θεωρηθεί ότι συμβαίνει μέσα στον Κρόνο, καθώς και στον Δία και στους παγωμένους γίγαντες Ουρανό και Ποσειδώνα.

Ατμόσφαιρα

Η εξωτερική ατμόσφαιρα του Κρόνου περιέχει 96,3% μοριακό υδρογόνο και 3,25% ήλιο κατ' όγκον. Η αναλογία του ηλίου είναι σημαντικά μειωμένη συγκριτικά με την αφθονία του στοιχείου στον Ήλιο. TΗ ποσότητα στοιχείων βαρύτερων από το ήλιο (μεταλλικότητα) δεν είναι επακριβώς γνωστή, αλλά οι αναλογίες θεωρούνται συγκρίσιμες με τις πρωταρχικές άφθονες ποσότητες από την δημιουργία του Ηλιακού Συστήματος. Η συνολική μάζα αυτών των βαρύτερων στοιχείων εκτιμάται σε 19–31 φορές την μάζα της Γης, με σημαντικό κλάσμα περιεχόμενο στην πυρηνική περιοχή του Κρόνου.
Ίχνη αμμωνίας, ακετυλενίου, αιθανίου, προπανίου, φωσφίνης και μεθανίου έχουν εντοπιστεί στην ατμόσφαιρα του Κρόνου. Τα ανώτερα νέφη αποτελούνται από κρυστάλλους αμμωνίας, ενώ το χαμηλότερο επίπεδο φαίνεται ότι είναι συντεθειμένο από  ammonium hydrosulfide () or water. Υπεριώδης ακτινοβολία από τον Ήλιο προκαλεί  φωτόλυση του μεθανίου στην ανώτερη ατμόσφαιρα, οδηγώντας σε μια  series of hydrocarbon chemical reactions with the resulting products being carried downward by eddies and diffusion. Αυτός ο φωτοχημικός κύκλος is modulated by Saturn's annual seasonal cycle.
Η μαγνητόσφαιρα του Κρόνου, όπως και της Γης, δημιουργεί σέλας.

Ατμόσφαιρα

Η περιστροφή των αερίων που σκεπάζουν τον πλανήτη δεν γίνεται ομοιόμορφα. Η περιστροφή των περιοχών στον ισημερινό διαρκεί 10 ώρες και 14 λεπτά και αυτή των υπόλοιπων περιοχών 10 ώρες και 39 λεπτά. Η ατμόσφαιρά του αποτελείται κυρίως από υδρογόνο σε ποσοστό 96,3% και σε μικρές ποσότητες από ήλιο (3,25%). Επίσης έχουν εντοπιστεί ελάχιστες ποσότητες μεθανίου, αιθανίου, ακετυλενίου, αμμωνίας και φωσφίνης. Τα υψηλότερα νέφη του Κρόνου αποτελούνται από κρυστάλλους αμμωνίας, ενώ τα κατώτερα φαίνεται ότι αποτελούνται είτε από υδρόθειο του αμμωνίου (NH₄SH) είτε από νερό. Η ατμόσφαιρα έχει σημαντικά μικρότερη περιεκτικότητα σε ήλιο σε σύγκριση με αυτή του Ήλιου.
Η ποσότητα στοιχείων βαρύτερων του ηλίου δεν είναι επακριβώς γνωστή, αλλά θεωρείται ότι ταιριάζουν με αυτές του Ηλιακού συστήματος όταν αυτό βρισκόταν στην φάση δημιουργίας. Η συνολική μάζα αυτών των στοιχείων υπολογίζεται ότι είναι 19–31 φορές αυτής της Γης, και συγκεντρώνεται κυρίως στον πυρήνα του Κρόνου.

Στρώματα αερίων

Η ατμόσφαιρα του Κρόνου παρουσιάζει ένα μοτίβο λωρίδων όμοιο με αυτό του Δία, μόνο που οι λωρίδες του Κρόνου είναι πιο αχνές και είναι ευρύτερες στον ισημερινό. Προς τα κάτω, υπάρχει ένα στρώμα 10 χιλιομέτρων και θερμοκρασίας -23 °C που αποτελείται από υδάτινο πάγο. Από πάνω υπάρχει ένα στρώμα πιθανώς από όξινο θειούχο αμμώνιο, με πλάτος 50 χλμ και θερμοκρασία -93 °C. Οχτώ χιλιόμετρα πάνω από αυτό στρώμα υπάρχουν νέφη αμμωνίας και θερμοκρασία 60 βαθμούς Κελσίου χαμηλότερη. Κοντά στη κορυφή της ατμόσφαιρας και πάνω από τα ορατά νέφη αμμωνίας υπάρχει ένα στρώμα με πλάτος 200 με 270 χιλιόμετρα που αποτελείται από υδρογόνο και ήλιο. Οι άνεμοι στον Κρόνο είναι από τους ταχύτερους στο Ηλιακό σύστημα με ταχύτητα 1800 km/h, όπως μετρήθηκε από τα Βόγιατζερ.
Κάθε τριάντα χρόνια μία μεγάλη καταιγίδα, γνωστή με το όνομα Μεγάλη Λευκή Κηλίδα, καλύπτει ένα μέρος της επιφάνειάς του. Αυτό το φαινόμενο φαίνεται να συμπίπτει με το ηλιοστάσιο του βορείου ημισφαιρίου του Κρόνου. Η τελευταία φορά που παρατηρήθηκε ήταν το 1990, όπως φαίνεται από φωτογραφίες του ΔΤΧ, ενώ είχε παρατηρηθεί το 1876, 1903, 1933 και 1960. Μία άλλη τεράστια καταιγίδα παρατηρήθηκε στον Κρόνο τον Δεκέμβριο του 2010 και τον Ιανουαρίου του 2011, η οποία περικύκλωσε όλο τον πλανήτη στο ύψος του 35 παραλλήλου.

Πολικές δομές

Στον βόρειο πόλο του Κρόνου παρατηρήθηκε από τα Βόγιατζερ ένα μόνιμο χαρακτηριστικό εξάγωνων σύννεφων. Αντίθετα, στον νότιο πόλο ανακαλύφθηκε το 2006 από το Κασσίνι μία καταιγίδα με τη μορφή τυφώνα, στην οποία διαγράφεται καθαρά το "μάτι του κυκλώνα". Αυτό το γεγονός είναι αξιοσημείωτο διότι εκτός από τη Γη, το μάτι του κυκλώνα δεν είχε παρατηρηθεί σε κανένα άλλο πλανήτη.
Οι ακμές του εξαγώνου έχουν μήκος περίπου 13.800 χιλιόμετρα. Ολόκληρη η δομή περιστρέφεται σε 10 ώρες, 39 λεπτά και 24 δευτερόλεπτα, που είναι ίση με αυτή της εκπομπής ραδιοκυμάτων του Κρόνου και υπολογίζεται ότι είναι η ταχύτητα περιστροφής του εσωτερικού του πλανήτη.

Μαγνητόσφαιρα

Ο Κρόνος έχει ένα εγγενές μαγνητικό πεδίο που έχει ένα απλό, συμμετρικό σχήμα, ένα μαγνητικό δίπολο. Η δύναμή του στον ισημερινό είναι 0,2 gauss (20 μT) δηλαδή είναι περίπου το ένα εικοστό εκείνης του πεδίου γύρω από τον Δία και ελαφρώς ασθενέστερη από το γήινο μαγνητικό πεδίο. Ως αποτέλεσμα η μαγνητόσφαιρα του Κρόνου είναι πολύ μικρότερη από τη μαγνητόσφαιρα του Δία και εκτείνεται ελαφρώς πέρα από την τροχιά του Τιτάνα. Πιθανότατα, το μαγνητικό πεδίο δημιουργείται με παρόμοιο τρόπο με αυτό του Δία, δηλαδή από τα ρεύματα στο στρώμα μεταλλικού υδρογόνου, το οποίο ονομάζεται δυναμό μεταλλικού υδρογόνου. Ομοίως με εκείνες των άλλων πλανητών, η μαγνητόσφαιρα είναι αποτελεσματική στο να εκτρέψει τα σωματίδια του ηλιακού ανέμου.

Ιστορία και εξερεύνηση

Υπάρχουν τρεις κύριες φάσεις της παρατήρησης και της εξερεύνησης του Κρόνου. Κατά την πρώτη εποχή στην αρχαιότητα πριν από την εφεύρεση του τηλεσκοπίου οι παρατηρήσεις γίνονταν με γυμνό μάτι. Αρχίζοντας από το 17ο αιώνα, έχουν γίνει σταδιακά όλο και περισσότερο προηγμένες τηλεσκοπικές παρατηρήσεις από τη Γη. Ο άλλος τρόπος είναι η επίσκεψη από τα διαστημικά οχήματα, είτε με τροχιά είτε με προσωρινή προσέγγιση. Στον 21ο αιώνα, έχουν συνεχιστεί οι παρατηρήσεις από τη Γη (ή από τη γη ή σε τροχιά γύρω από παρατηρητήρια), και από το διαστημικό όχημα Κασσίνι που βρέθηκε σε τροχιά για 13 έτη γύρω από τον Κρόνο. Η αποστολή ολοκληρώθηκε στις 15 Σεπτεμβρίου 2017, όταν το Κασσίνι εισέβαλε στην ανώτερη ατμόσφαιρα του Κρόνου με αποτέλεσμα να αποτεφρωθεί, μετά από σχεδόν 20 έτη παραμονής στο διάστημα. Η αυτοκαταστροφή του οχήματος προγραμματίστηκε με σκοπό να προφυλαχτούν από μολύνσεις οι δορυφόροι του Κρόνου, οι οποίοι ενδέχεται να προσφέρουν βιώσιμες συνθήκες για γήινα μικρόβια που μεταφέρθηκαν με το διαστημικό όχημα.

Αποστολές διαστημοσυσκευών

Οι περισσότερες σύγχρονες παρατηρήσεις του πλανήτη Κρόνου γίνονται από τη μη επανδρωμένο διαστημικό όχημα Κασσίνι, που από το 2004 έως το 2017 βρέθηκε σε τροχιά γύρω από τον Κρόνο και εξερεύνησε αυτόν και τους δορυφόρους του.
Η πρώτη διαστημοσυσκευή που πλησίασε τον Κρόνο ήταν το Πάιονηρ 11, το 1979. Μετέδωσε εντυπωσιακές φωτογραφίες των δακτυλίων, παρατήρησε τη μαγνητόσφαιρα του πλανήτη και ανακάλυψε μερικούς μικρούς δορυφόρους.
Το σύστημα του Κρόνου εξερευνήθηκε επίσης από τις δίδυμες διαστημοσυσκευές Βόγιατζερ 1 και Βόγιατζερ 2, τον Νοέμβριο του 1980 και τον Αύγουστο του 1981, αντίστοιχα. Ο Βόγιατζερ 1 παρατήρησε κυρίως τον δορυφόρο Τιτάνα, που συγκέντρωνε το ενδιαφέρον των επιστημόνων ως ο μόνος δορυφόρος του ηλιακού συστήματος με ατμόσφαιρα. Διαπιστώθηκε όμως ότι τίποτα δεν ήταν ορατό κάτω από την πυκνή του ατμόσφαιρα, και στη συνέχεια αλλάζοντας πορεία η διαστημοσυσκευή κατευθύνθηκε έξω από το Ηλιακό σύστημα. Ο Βόγιατζερ 2 παρατήρησε και τους υπόλοιπους δορυφόρους, καθώς και τον ίδιο τον πλανήτη, και συνέχισε για τον πλανήτη Ουρανό.

Αστρονομική ναυτιλία

Ο πλανήτης Κρόνος περιλαμβάνεται στους λεγόμενους ναυτιλιακούς πλανήτες, οι οποίοι λαμβάνονται υπόψη σε μετρήσεις για τις ανάγκες επίλυσης προβλημάτων προσδιορισμού γεωγραφικού στίγματος.