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Die Cassini Mission 2004

Einleitung

Die Cassini Mission ist die größte und komplexeste bisher entwickelte amerikanische Planetensonde. Um sie, mit der bei Artikeln auf meiner Seite, üblichen Genauigkeit zu beschreiben, habe ich den Artikel in mehrere thematisch gegliederte Unteraufsätze aufgeteilt:

• Der erste Aufsatz informiert über den Aufbau der Cassini Raumsonde, ihre Geschichte und den Missionsverlauf bis zum Erreichen des Saturn.
• Dieser Aufsatz beschäftigt sich mit der Mission beim Saturn, die am 6.2.2004 begann.
• Ein weiterer Aufsatz beschäftigt sich nur mit den Instrumenten an Bord von Cassini. Wie sie funktionieren und welche Resultate man sich von ihnen erhofft.
• Mit einem kleinen Programm können Sie automatisch die Cassini Bilder herunterladen.
• Ein eigener Artikel hat die europäische Landesonde Huygens zum Thema: Ihren Aufbau und ihre Mission.
• Es gerieten beim Cassini Start wieder einmal die Radioisotopenelemente in die Schlagzeilen. Ein eigener Aufsatz beschäftigt sich mit der Funktionsweise und den Gefahren die von diesen Stromelementen ausgehen.
• Die Saturnmission von Cassini dauert über vier Jahre. Damit die Aufsätze lesbar bleiben habe ich sie in kleinere Teile unterteilt. Sie lesen gerade den Teil über das Jahr 2004 und die ersten drei Orbits.
• Der nächste Teil behandelt das erste Halbjahr 2005.
• Daran schließt sich der Aufsatz über das zweite Halbjahr 2005 an.
• Und im ersten Halbjahr 2006 geht es weiter.

Damit auch die Forschung von Cassini klarer wird habe ich in diesen Aufsatz einige Dossiers eingeflochten, jeweils vor dem ersten nahen Vorbeiflug eingeordnet. Diese informieren kurz über die Monde, Ringe oder Saturn und sind als Einschub zu sehen, der unabhängig vom restlichen Text gelesen und auch übersprungen werden kann.

Die ursprüngliche Orbit Tour

Schon vor dem Start war ein genauer Plan für Cassinis Saturn Orbit festgelegt worden. Es gab drei Pläne, im Fachjargon als "18:2, 18:3 und 18:4 Tour" bezeichnet. Die Zahlencodes stehen für die nahen Vorbeiflüge an Titan und anderen Monden. Die Planung für Cassini muss deswegen so sorgsam erfolgen, weil es anders als bei Galileo, bei Saturn nur einen Mond gibt, der genügend Masse hat um die Bahn entscheidend zu ändern. Dies ist Titan. Zu Titan müssen also alle Orbits zurückführen. In den vier Jahren der Primärmission sind dies 70 Stück, die auf der Grafik wie ein unentwirrbares Knäuel aussehen. Es gibt aber drei Tendenzen:

• Die Dauer eines Orbits wird immer kürzer und liegt am Schluss bei nur noch 7 Tagen
• Die Neigung zum Saturnäquator wird größer, wodurch zu Ende der Mission die Ringe besser beobachtbar sind
• Der nächste Bahnpunkt wandert über die Zeit über die Zeit mehr in die Zone, in der die ganze Saturnscheibe von der Sonne aus beleuchtet ist.

Der Flugplan sieht außer an Titan folgende "gezielte" Vorbeiflüge an den anderen bekannten größeren Saturnmonden vor. Die mit einem Stern(*) markierten, kamen erst durch die Änderung zustande, die wegen des fehlerhaften Empfänger von Huygens notwendig wurde.

Neben diesen nahen Vorbeiflügen gibt es mindestens 35 Mond Vorbeiflüge an den kleineren Monden innerhalb von 100.000 km und 250 Mond Vorbeiflüge innerhalb 333.000 km. Die NASA unterscheidet gezielte "targetet" Vorbeiflüge, bei denen die Sonde gezielt so gesteuert wird, dass sie den Mond nahe passiert und bei denen der Mond im Mittelpunkt der Aktivitäten steht, von anderen Vorbeiflügen bei denen der Mond zwar auch untersucht wird, aber die Messinstrumente mit anderen Beobachtungen um Beobachtungszeit konkurrieren. Bei einem targetet Fly-Bys wird die Bahn der Sonde aktiv geändert um diese Vorbeiflugdistanz zu erreichen, bei einem untargetet Fly-Bys ist dies nicht der Fall. Die Vorbeiflüge mit einer Orbitnummer in der Tabelle sind targeted Flybys.

Titan wird am häufigsten besucht und zwar 44 mal, bei dem ISS und VIMS die gesamte Oberfläche mit hoher Auflösung erfassen sollten und auch das Radar etwa ein Drittel der Oberfläche kartieren sollte. Die nächste Annäherung an Saturn liegt zwischen 156.858 km und 953.214 km. Die Dauer eines Orbits zwischen 118 Tagen (erster Orbit) und 7 Tagen (Ab Mitte 2007). Die Inklination erreicht einen Maximalwert von 75 Grad zum Missionsende. 42 der Titanvorbeiflüge haben eine Distanz unter 2500 km. Die maximale Annäherung beträgt 950 km, da sich bei niedrigeren Höhen schon die Atmosphäre bemerkbar macht. Ein Vorbeiflug an Titan ändert die Sondengeschwindigkeit beträchtlich. Der erste Titanvorbeiflug z.B. um 770 m/s. Zum Vergleich: Nach Erreichen des Saturnorbits hat Cassini noch für 500 m/s Treibstoff und man rechnet für die Feinkorrekturen pro Titan Vorbeiflug mit 8-11 m/s. Für die Vorbeiflüge an den anderen Monden ist das Jahr 2005 das ereignisreichste. 9 der16 nahen Vorbeiflüge finden in diesem Jahr statt. Für 2006 ist dagegen gar kein naher Vorbeiflug bei den Eismonden vorgesehen. Dies liegt darin, dass die Bahnneigung 2006/7 die Sonde über die Ringebene bringt und sie so keinem Mond nahe kommt.

Das Bild der Orbits zeigt, dass die Orbits langsam sich von der Sonne wegdrehen. Die Lage der Orbits im Raum ist bei den Saturnmonden wichtig, da mit Ausnahme von Phoebe alle Monde denen Cassini nahe kommt gebunden rotieren. Sie wenden Saturn also immer dieselbe Seite zu. Bestimmte Teile der Oberfläche wird Cassini auch bei vielen Vorbeiflügen nicht aus der Nähe im Sonnenlicht erfassen können. Bei den inneren Saturnmonden ist dies kein Drama, da diese schnell den Saturn umrunden, so dass man sehr viele Bilder mit niedriger Auflösung aus größeren Abstanden hat und man zudem die Monde auch im Licht von Saturn fotografieren kann. Einzig Titan wird so nicht zu erfassen sein, da die Filter die bis zur Oberfläche durchdringen nur wenig Licht durchlassen. Etwa ¾ der Mondoberfläche können aber in hoher Auflösung aufgenommen werden.

Der neue Flugplan

Nun gab es aber das Problem mit Huygens. Der Empfänger an Bord von Cassini konnte wegen einer Fehlkonstruktion bei der nahen Passage keine Daten empfangen. Dadurch wurde im Jahre 2000/2001 der Flugplan geändert. Damit Huygens keine Kommunikationsprobleme mit Cassini hat, muss Cassini sich langsamer in Bezug auf Huygens über den Himmel bewegen. Man erreicht dies, indem die minimale Distanz von Cassini zu Titan von 1200 auf 65.000 km erhöht wird. Doch dies wiederum hat auch Konsequenzen, denn der Vorbeiflug wird auch zur Änderung der Bahn benötigt. Die Lösung war eine erste Bahn deren Umlaufperiode um genau 32 Tage kürzer als die geplante war. (116 anstatt 148 Tagen Umlaufszeit). Dadurch wurde der Flugplan wie folgt geändert:

Die Reduktion der Bahn um 32 Tage oder 2 Umläufe von Titan führt zu den beiden neuen Titanvorbeiflügen Ta und Tb welche die ersten beiden T1 und T2 des alten Planes ersetzen. Am 15.2.2005 beim dritten Titanvorbeiflug ist dann Cassini wieder auf der Sollbahn, und die folgenden Orbits sind identisch zu den schon im Jahre 1997 geplanten. Der Nachteil ist ein etwas erhöhter Treibstoffverbrauch beim Saturn Orbit Injektion Manöver (SOI), dadurch wird die Resttreibstoffmenge die am Ende der Primärmission verbleibt, um etwa ein Viertel bis ein Drittel verringert. (Entsprechend einer Missionsverkürzung der erweiterten Mission um 8-10 Monate). Mehr über die Mission von Huygens beim Abstieg auf Titan erfahren Sie in dem Aufsatz über Huygens.

Die neue Tour hat aber auch Vorteile. So liegt der nächste Punkt des Tb Vorbeifluges nahe des geplanten Huygens Landegebietes. Anders als in der ursprünglichen Planung vorgesehen, kann man also die Landestelle vorher einsehen (sofern ISS bis zum Boden schauen kann, VIMS sollte es auf jeden Fall können). Auch gibt es nun neue nahe Vorbeiflüge an den kleinen Monden: Ein dichter an Enceladus im Februar 2005 und ein Vorbeiflug an Dione in 725.00 km Entfernung am 14.12.2004 und einer an Iapetus am 1.1.2004 in 117.500 km Entfernung. Gerade Iapetus profitiert sehr, denn der zweite Vorbeiflug im September 2007 ist sonst der einzige Vorbeiflug an diesem Mond mit den zwei Seiten (einer dunklen und hellen Seite).

Huygens wird am 25.12.2004 (alter Flugplan: 5.11.2004) von Cassini getrennt. Cassini, der sich wie Huygens auf einem Kollisionskurs zu Titan befindet, korrigiert dann die Bahn so, dass er in sicheren 65000 km Höhe Titan passiert. Am 14.1.2005 (alter Plan 27.11.2004) landet Huygens auf Titan und funkt die Daten über Cassini zur Erde. Cassini speichert die Daten mehrfach ab und sendet diese auch mehrfach zur Erde. Um diesen Zeitpunkt herum gibt es ebenfalls keine Aktivitäten um die Landung nicht zu gefährden. Durch die größere Distanz kann Huygens bis zu 2,5 Stunden von der Oberfläche aus senden. Beim alten Flugplan waren es nur 30 Minuten. Die gesamte Dauer inklusive Abstieg beträgt max. 5 Stunden.

Allgemeines über die Beobachtungen

Bei den ersten nahen Titanvorbeiflügen wird Cassini ab etwa 36000 km Abstand von der Drallstabilisierung auf eine Stabilisierung durch die Düsen umgestellt. Diese können viel besser als die Drallräder Änderungen der räumlichen Lage durch die Atmosphäre von Titan abfangen. Dadurch kann die ISS Telekamera ab dieser Distanz nicht mehr eingesetzt werden, da Cassini dann leicht um eine Ruhelage schwankt und man länger belichtete Aufnahmen wie man sie für kombinierte Filter benötigt verwischen. So haben die ISS Aufnahmen bei den ersten Annäherungen nur eine Auflösung von 400-200 m/Pixel. Eventuell wird man diese Praxis ändern, wenn man mehr über die Titanatmosphäre und ihren Einfluss auf die Bahn weiß.

Es gilt bei allen Beobachtungen die Wünsche mehrerer Experimente zu berücksichtigen aber auch Sicherheitsaspekte. Die Wünsche der Experimente äußern sich zum einen in der Konkurrenz wer wann bei einem Mondvorbeiflug Messungen machen kann aber auch in der gesamten Orbit Tour. So befindet sich Cassini zu Beginn und Ende von 2005 in der Äquatorebene von Saturn und kann dann die Saturnmonde passieren. Dazwischen liegen einige Monde in einer geneigten Bahn die für Ringbeobachtungen günstiger ist. 2006 und 2007 gibt es nochmals solche stark geneigten Bahnen.

Besonders nahe des Saturns gibt es die Einschränkung dass Cassini ohne Schwenkbare Plattform für die Instrumente sehr lange braucht um sich zu drehen und dann viele Beobachtunsgelegenheiten ungenutzt verstreichen lassen muss, weil nicht genügend Zeit vorhanden ist für einen schnellen Schwenk. Besonders die Ringmonde sind dann auch noch von Sicherheitsaspekten betroffen. Nahe des Saturns dreht sich Cassini so, dass die Hauptantenne in Flugrichtung zeigt und Staubteilchen des E-Ringes so nicht die Instrumente beschädigen können. Dann kann man die Ringmonde nicht beobachten obgleich es einige sehr nahe Passagen von teilweise weniger als 10000 km Entfernung gibt. Eventuell wird man diese Praxis ändern, wenn man die Gefahren des E-Ringes durch Messung der Einschläge besser einschätzen kann.

Penibel ist die gesamte Mission eingeteilt in 41 Abschnitte. Dabei gilt es die Wünsche der verschiedenen Teams um jedes Experiment zu berücksichtigen, aber auch die Verfügbarkeit von den 70 m Antennen des DSN oder irdische Feiertage, an denen nach Möglichkeit nicht so viel Aktivität herrschen sollte. Jeder Tag hat allerdings den gleichen Ablauf: 15 Stunden lang beobachtet Cassini und zeichnet Daten auf. Dann dreht sich die Sonde und sendet über 9 Stunden die Daten zur Erde, etwa 1 GBit bei Benutzung der 34 m Antennen, 4 Gigabit bei Benutzung der 70 m Antennen des DSN. Ende der Primärmission ist der 1.7.2008 nach 4 Jahren der Erkundung des Saturnsystems. Insgesamt sollen es während der Orbittour 2.5 Terabit an Daten sein. Alleine von den beiden Kameras des ISS Experimentes erhofft man sich 300.000-500.000 Bilder - mehr als 100 mal mehr als von Galileo und 10 mal mehr als die beiden Voyager Missionen zur Erde sandten.

Cassinis Beobachtungen unterscheiden sich von denen von Galileo. Galileo war nach dem Ausfall der Hauptantenne vor allem eine Sonde zur Erkundung der Monde. Aber auch in der nominellen Mission spielten die galileischen Monde eine wichtige Rolle. Diese sind groß und Galileo näherte sich bei jedem Orbit mindestens einem der Monde auf nächste Distanz.

Cassini hat als wichtigstes Ziel Titan, weil dieser der einzige Mond ist, der genügend Masse hat, um die Bahn entscheidend zu verändern. Die anderen Saturnmonde spielen eine untergeordnete Rolle. An Tethys und Mimas wird sich die Sonde nur auf mittlere Distanz nähern. Bei Hyperion und Dione gibt es nur einen nahen Vorbeiflug. An Rhea und Iapetus gibt es zwei Vorbeiflüge. Lediglich Enceladus wird mit 4 Vorbeiflügen öfters besucht. Stattdessen liegt das Hauptaugenmerk auf die Saturn und die Ringe.

Was nach der vierjährigen Primärmission kommt ist noch ungewiss. Gibt es keine Probleme, so sollte Cassini noch genügend Treibstoff für eine Verlängerung der Mission haben. Eine Option die diskutiert wird, ist, dass sich Cassini sukzessive Titan nähert und dann in einen Orbit einschwenkt, um diesen besser mit dem Radar zu kartieren. Dazu soll Cassini wie die Marssonden die Technik der Aerobraking nutzen, indem Sie sich Titan näher als 950 km nähert und dann von der Hochatmosphäre abgebremst wird.

Von Nachteil für die Erkundung der Eismonde ist, das am Ende der Primärmission die Neigung von Cassinis Bahn bei 75 Grad liegt, das bedeutet sie kommt diesen nicht sehr nah, da sie sich immer in hohen Breiten beim Saturn befindet, während die Eismonde den Saturn in der Äquatorebene umrunden. Man müsste erst die Inklination durch Titan Vorbeiflüge abbauen, was natürlich wertvolle Zeit (und Treibstoff) verschlingt.

Geht man von den angegebenen Treibstoffverbrauch von 530 kg während der 4 jährigen Orbittour und einem Rest von 270 kg aus, so müsste der Resttreibstoff noch für weitere 2-2.5 Jahre reichen. Es dürfte mehr eine Frage der Finanzierung sein, als eine der Technik, ob Cassinis Mission verlängert wird.

Cassini bei Saturn

Über die Mission bis zum Erreichen des Saturns informiert der erste Teil dieser Artikelserie. Fast 3 Jahre nach dem Ende der Jupiterbeobachtungen begannen am 6.2.2004 die routinemäßige Saturnbeobachtung mit den Kameras und Spektrometern aus einer Distanz von 70 Millionen km. Nun wurden alle Instrumente nach und nach aktiviert. Noch passte Saturn und das gesamte Ringsystem in das Gesichtsfeld der Telekamera. Am 2.4.2004 war das nicht mehr der Fall. Nun passt Saturn nicht mehr in das Blickfeld der Telekamera und die Cassini macht nun Mosaike von 1 × 3 Bildern (wegen der Ringe). Einen Tag später begann aus 44.5 Millionen km Entfernung die Observation von Titan. Am 12.5.2004 ist der Saturn auch zu groß für den 1 × 3 Mosaikmodus. Er hat nun mit den Ringen eine Breite von 1800 Pixeln und eine Höhe von 780 Pixeln. Die folgenden Wochen gelten nun der Untersuchung der Saturnatmosphäre und Titan.

Die 2004 durchgeführten nahen Vorbeiflüge, die mit Beobachtungen verknüpft sind:

Dossier Phoebe

Lange Zeit war Phoebe eine Sonderstellung vergönnt. Der Mond umkreist Saturn in einer exzentrischen Bahn (Exzentrizität 0.1633) im Mittel 12.95 Millionen km von Saturn entfernt und braucht dazu 550 Tage. Er ist also fast viermal weiter von Saturn entfernt als Iapetus. Weiterhin umläuft er rückläufig den Saturn und seine Bahn ist um 17.8 Grad gegen den Äquator geneigt. Diese Sonderstellung änderte sich erst in den letzten Jahren als man weitere sehr kleine Monde entdeckte, welche den Saturn in dem Bereich von Phoebe auch umkreisen. Allerdings ist Phoebe mit einem Durchmesser von 160 km wesentlich größer als diese neu entdeckten Monde.

Die Voyagers konnten Phoebe nur in großer Entfernung erfassen. Voyager 1 näherte sich nur auf 13.5 Millionen km an Phoebe und machte daher keine Bilder. Voyager 2 näherte sich bis auf 1.473 Millionen km und machte aus 2.2 Millionen km Entfernung eine Bildsequenz des Mondes. Die Bilder sind natürlich aus dieser Entfernung schlecht aufgelöst (Phoebe nimmt dann nur noch etwa 10 Pixels ein). Der Erkenntnisgewinn ist daher bescheiden. Man konnte ermitteln, dass der Mond nicht wie die anderen Saturnmonde gebunden rotiert, sondern eine Rotationsperiode von ungefähr 9 Stunden hat. Die Oberfläche ist dunkel (Albedo etwa 5 Prozent), weiß jedoch Helligkeitsunterschiede von 50 Prozent auf. Weiterhin war Phoebe auf den Aufnahmen nicht rund, sondern kartoffelförmig Alternativ könnte Phoebe aber auch wie Iapetus rund sein und eine dunkle Zone beinhalten. Die schlechte Auflösung ließ keine eindeutige Klärung zu. Es waren dunkle Flecken erkennbar, die man für Krater hielt, doch für genaue Aussagen musste man auf den Vorbeiflug von Cassini warten. Schon vor der Entdeckung des Kuiper Gürtels hielt man Phoebe daher für einen eingefangenen Asteroiden, konnte sich als Voyager Saturn passierte aber nicht erklären wie ein Asteroid in diese Entfernung kommen konnte, da die damals bekannten Asteroiden des Hauptgürtels sich zwischen en Bahnen von Mars und Jupiter befinden.

12.6.2004 : Naher Vorbeiflug an Phoebe

Das wichtigste Ereignis vor dem Erreichen des Saturnorbits war ein naher Vorbeiflug an Phoebe. Der äußerste große Saturnmond (es wurden in den letzten Jahren neue, aber wesentlich kleinere Monde im äußeren Saturnsystem gefunden) liegt auf dem Flugpfad von Cassini. Da er sich dem Saturn bis auf 13 Millionen km entfernt, wird Cassini niemals während der normalen Saturntour sich diesem Mond dann auf weniger als 5.8 Millionen km nähern. Aus dieser Distanz sind Aufnahmen von Cassini dann aber schon schlechter als die von Voyager aus 2.2 Millionen km Entfernung.

Ohne Kurskorrektur kann sich die Sonde nur bis auf 57000 km an Phoebe nähern. Das ist ein naher Vorbeiflug, bei dem der Mond mehr als die Hälfte der Telekamera ausfüllt. Doch man legte schon vor dem Start fest, dass falls es genügend Treibstoff gibt, man den Flug näher an Phoebe heranführen würde. Beim Start war eine Passage von 6000 km geplant, es sind aber wegen etwas besserer Reserven 2068 km geworden. Der nahe Vorbeiflug an Phoebe war der erste "targetet Fly-By".

Dies erlaubte hervorragende Nahaufnahmen von bis zu 12 m/Pixel Auflösung. Phoebe ist aus einer Entfernung von 26200 km formatfüllend.

Die Begegnung fand 3 Wochen vor Erreichen des Saturn am 12.6.2004 statt. Die Beobachtung begann 12 Stunden vor der Begegnung noch mit einer Auflösung von 2 km/Bildpunkt. (Trotzdem etwa 10 mal schärfer als die besten Aufnahmen von Voyager von Phoebe). Da der Mond in 9.27 Stunden um seine eigene Achse rotiert, erfassen die 118 Bilder die in diesem Zeitraum gemacht wurden die gesamte Oberfläche. Der größte Teil der Oberfläche wurde sogar mit 1 km/Pixel oder größer erfasst. Insgesamt sollte die Sonde mit dem ISS Kamerasystem 398 Aufnahmen von Phoebe machen, davon 51 Bilder aus größter Nähe mit Auflösungen von mehr als 51 m pro Pixel. Die Daten wurden dann in den nächsten Tagen übertragen. Zu den Aufnahmen kommen auch Observationen durch das Radar und VIMS, welche Phoebe mit einer Auflösung von maximal 500 m/Bildpunkt erfassen konnte. VIMS konnte dabei eine Frage klären, nämlich die Herkunft von Phoebe. Aufgrund der retrograden Bahn (gegen die Rotationsrichtung von Saturn und den inneren Monden) und der großen Entfernung von Saturn war schon vorher klar, das Phoebe wahrscheinlich ein eingefangener Asteroid ist. Doch bei Saturn gibt es keine Planetoiden. Es gibt zwei Gürtel: Den Hauptgürtel vor Jupiter (800-900 Millionen km näher zur Sonne hin) und den Kuipergürtel jenseits Neptun (mehr als 3000 weiter draußen). VIMS kann die chemische Zusammensetzung eines Körpers bestimmen und fand, dass Phoebe weitestgehend aus Wassereis besteht und damit nicht aus dem Hauptgürtel kommen kann, der aus Planetoiden aus Stein besteht.

Danach gab es bei der NASA eine Änderung der Bildpolitik. Nach Druck von "Oben" musste das Image Team wie bei den Marsmissionen die Bilder in Rohform Online stellen. Als man Cassini konzipierte dachte man nicht an das Internet und seine Wirkung. So war erst geplant nach einem Jahr die Bilder im NASA eigenen Datenarchiv zu veröffentlichen. Nun gab es aber die Marssonden, die ihre Navcam Bilder sofort Online stellten und das eine pro Woche veröffentlichte Bild von Cassini reichte vielen nicht. So musste das Imaging Science Team auch ihre Bilder in Rohform veröffentlichen, obgleich diese anders als die Marsaufnahmen natürlich von anderen Wissenschaftlern genutzt werden konnten. So beschränkte man sich auf Rohdaten in JPG Komprimierung ohne Daten zu den Aufnahmebedingungen, die viele Bilder für die Forschung schlecht nutzbar machte. Zahlreiche Aufnahmen sind durch die Reduktion von 12 auf 8 Bit auch überbelichtet, was man bei dem Vergleich der Rohbilder und der Pressefotos sieht. Besonders das deutsche Team um Prof. Neukum, welche die Aufnahmen von Iapetus, Dione, Rhea und Phoebe auswertet und die Mission bei den Vorbeiflügen an diesen Monden mit plant war davon nicht begeistert. Schließlich war es ein eindeutiger Vertragsbruch. Doch wer die bisherigen Beziehungen zwischen NASA und Europa in der Raumfahrt kennt, weiß, dass Verträge oft von den USA gebrochen werden.

Ankunft bei Saturn

Nach dem 22.6.2004 stellt Cassini seine Beobachtungen ein, um sich auf das Saturn Orbit Insertion (SOI) Manöver vorzubereiten. Man wollte einen Ausfall der Sonde durch Probleme mit den Instrumenten vermeiden, schließlich gibt es nur einmal die Gelegenheit für das SOI. So wird man auf mittelaufgelöste Aufnahmen der Saturnmonde bei der Saturnpassage bis nach dem ersten Orbit waren müssen. Lediglich nach dem Vorbeiflug soll auf der Nachtseite INMS nach Ionen Ausschau halten, da sich die Sonde später nie wieder bis auf 20000 km an Saturn annähern wird. Auch die nahe Passage der Ringe wird für Aufnahmen genutzt, die bis zu 100 m Auflösung aufweisen sollen.

Dossier Ringe

Saturn war der erste Planet bei dem man Ringe erkannte. Schon Galilei sah Henkel bei Saturn und Huygens konnte die Ringe als frei schwebend erkennen. Vor Voyager unterschied man 4 Ringe die durch Helligkeitsunterschiede bzw. zwei Teilungen differenziert wurden, dies sind von außen her kommend der A-Ring (getrennt vom B-Ring durch die Enckesche Teilung), der B-Ring und die schwachen nur unter besonderen Umständen sichtbaren C und D Ringe, die bis zur Wolkengrenze von Saturn reichten. In den meisten Teleskopen sieht man nur die leuchtkräftigen A und B Ringe. Zwischen A und B Ring liegt die etwa 4800 km breite Cassini Teilung. Im A-Ring dann noch die etwa 700 km breite Encke Teilung.

Voyager krempelte unser Bild von den Ringen komplett. Schon aus größerer Entfernung konnte man erkennen, dass es nicht nur 4 Ringe gibt, sondern jeder aus vielen Einzelringen besteht. Nach Voyager 1 konnte man aus den Fotos mindestens 100 Einzelringe erkennen, auch in den Enckeschen und Cassinischen Teilungen, die man vorher für leer hielt. Messungen von Voyager 2 mittels des Photopolarimeters (das bei Voyager 1 bei Jupiter ausgefallen war) ergaben dann tausende Ringe. Auf den Ringen gab es zudem Muster, die so genannten Speichern. Man erkennte, dass diese kurzlebigen Strukturen (eine Speiche von 6000 km Länge kann sich innerhalb von 5 Minuten bilden) mit dem Magnetfeld zusammenhängen und mit diesem mitrotieren. Sie sind nur sichtbar wenn die Ringe in einem flachen Winkel zur Sonne stehen. Zum Ende der Cassini Mission sollten sie wieder auftreten.

Voyager entdeckte noch drei weitere Ringe: Den F-Ring nahe des A-Ringes, der von nahe liegenden kleinen Ringmonden wie ein Faden verdrillt wurde, den dünnen G Ring, der nur im Gegenlicht fotografiert werden konnte und zwischen den Ringmonden und Mimas liegt und dem noch dünneren E-Ring, der mehr einer Partikelwolke entspricht und nach außen hin durch den Saturnmond Enceladus begrenzt wird. Doch auch danach gibt es noch Partikel, so dass das Ende des E-Ringes wohl mehr eine Definition wo man noch Staub nachweisen kann ist als dass es eine scharfe Begrenzung gibt. Cassini auf jeden Fall schützt sich nur unterhalb des Orbits von Enceladus gegen Partikel indem sie sich so dreht, dass die 4 m große Parabolantenne in die Flugrichtung weist.

Man entdeckte nahe den Ringen 5 kleine Monde, welche die Ringe begrenzen, da sie durch ihre Gravitation Teilchen die nach außen wollen beschleunigen, so dass diese wieder nach innen gehen. Die folgende Tabelle gibt die Abstände der Ringe vom Saturnzentrum aus an. Die Wolkenobergrenze liegt bei 60330 km.

Am 1.7.2004 flog Cassini von Süden kommend durch eine Lücke zwischen F und G Ring, die nach den Voyager Aufnahmen materiefrei sein sollte. Die Entfernung betrug 158500 km von Saturn. Ein Alternativplan hätte es erlaubt den Punkt bis auf den Orbit von Mimas (185600 km Entfernung vom Zentrum) anzuheben wenn Beobachtungen im Vorfeld durch ISS zeigen würde, dass die Passage zu gefährlich gewesen wäre. Die Hauptantenne schaute dabei in die Flugrichtung um kleine Staubteilchen abzufangen. Danach wurde die Sonde gedreht. 90 Minuten vor Erreichen des saturnnächsten Punktes wird das Triebwerk für 96 Minuten gezündet Wenn die Sonde sich bis auf 20350 km an die Wolken von Saturn nähert, ist sie schon zu einem Saturnsatelliten geworden. Nach der Passage untersuchte Cassini die Ringe mit den beiden ISS Kameras, dreht sich erneut für eine Durchquerung der Ringebene und passierte diese nun in Nord-Süd Richtung. Niemals mehr wird die Sonde in der folgenden Zeit den Ringen so nahe kommen, wie bei der Passage. Bilder der Telekamera zeigten Details von 100-250 m Größe und damit die Feinstruktur der Ringe, wie die vermuteten Dichtewellen, eventuell auch die größten Felsbrocken als einzelne Pixels. Die Untersuchungen geschahen sowohl auf der Rückseite der Ringe (Norden) wie auch nach der zweiten Passage der Ringe im Süden (beleuchtete Seite). Cassini sieht die Ringe also im Gegenlicht und von der Sonne beleuchtet. VIMS und UVIS untersuchten die Zusammensetzung der Ringe und stellte erstaunliches fest. Nach dem derzeitigen Modell bestehen die Ringe aus Bruchteilen eines Mondes und daher weitgehend aus Eis. Sie fangen aber auch Staub aus und damit kann man ihr Alter bestimmen. Die Ergebnisse von UVIS zeigten, dass die Ringe um so jünger sind, je weiter außen sie sind, aber man auch die typische Unterteilung in viele einzelne Ringe sieht. Letzteres hatte man nicht erwartet und ist noch rätselhaft. Das Bild links zeigt einen Ausschnitt aus dem B und C Ring, gewonnen mit UVIS. Je röter ein Ringfragment ist desto mehr "Dreck" enthält es und je blauer, desto mehr Wassereis. Die kleinsten Details haben eine Auflösung von 97 km - 100 mal besser als die Daten von Voyager durch die geringe Vorbeiflugdistanz.

Cassini wurde durch die Triebwerkszündung um 636 m/s abgebremst und zu einem künstlichen Saturnsatelliten. Die erste hat einen saturnnächsten Punkt von 78.520 km (vom Zentrum, 18000 km über den Wolken) und einen Saturnfernsten Punkt von 9.06 Millionen km bei einer Neigung von 16.8 Grad zur Ringebene und einer Umlaufsdauer von 117 Tagen. Einen Tag später, am 2.7.2004, wurde Titan in 339.000 km Entfernung passiert und es entstanden Aufnahmen die Details von etwa 2 km Größe zeigten. Allerdings zeigte sich Titan völlig strukturlos auf den Bilder. Die einzigen scharfen Details waren Wolken am Südpol. Mehr Details waren auf den VIMS Daten zu sehen, die jedoch wegen der großen Entfernung sehr niedrig aufgelöst waren. (80 km/Pixel). Bei den folgenden Vorbeiflügen wird VIMS jedoch Bilder mit bis zu 1 km Auflösung machen.

Anfang September erreicht Cassini den Saturnfernsten Punkt der Bahn in 9 km Entfernung. Am 23.sten August 2004 hob Cassini durch ein 51 Minuten dauerndes Brennen des Triebwerks den saturnnächsten Punkt auf 300000 km (geplant 314.000 km) an. Die Sonde wurde dabei um 398 m/s beschleunigt (Geplant 390 m/s). Die Unterschiede zu den geplanten Werten liegen im Einschuss in die Saturnbahn begründet, die etwas bessere Parameter als die Planung hatte. Nun wiegt Cassini nur noch 3307 kg von 5600 kg Startmasse. Es war das letzte Manöver des Haupttriebwerks, auch weil es nun nicht mehr Treibstoff gibt um es zuverlässig zu zünden. Das Manöver ist notwendig, da durch den Einschuss in 20.000 km Abstand der saturnnächste Punkt der Bahn in dieser Entfernung (15300 km über der Oberfläche) liegt. Ohne dieses Manöver würde Cassini bei den folgenden Orbits durch die Ringe fliegen, was der Sonde nicht sehr gut tun würde.

Orbit A

Der erste Orbit vom 1.7.2004 bis zum 28.10.2004 war mit 116 Tagen der längste während der ganzen Tour. Ursprünglich sollten es sogar 148 Tage sein. Der Grund liegt darin, dass man Treibstoff sparen will und je weniger Cassini seine Geschwindigkeit abbremst, desto lang gestreckter ist die Bahn. Während dieses Orbits entfernte sich Cassini wieder weit von Saturn und so gab es über 3 Monate nur Bilder des Saturns aus großer Entfernung zu bewundern.

Das erste Highlight war am 2.7.2004 die erste Titanpassage, bei der dieser zweitgrößte Mond des Sonnensystems sich als weitgehend strukturlos entpuppte. Nur VIMS konnte strukturierte Bilder gewinnen, doch dessen Auflösung war wegen der hohen Entfernung von 354.000 km nicht sehr hoch. Ziel dieser ersten Titanpassage die noch "untargetet" in 354000 km Entfernung am Mond Vorbeiführte war es die Atmosphäre bis in 400 km Höhe zu sondieren, um das bisherige Modell der Atmosphäre zu bestätigen und zu verfeinern, schließlich liegt dem die Planung der Huygensmission zugrunde. Die Kameras von Cassini konnten ein Wolkengebiet auf der südlichen Halbkugel über 5 Stunden verfolgen und feststellen, dass es sich in dieser Zeit laufend veränderte.

Dossier Titan

Titan ist der größte Saturnmond und nach Ganymed zweitgrößte Mond des Sonnensystems. Er umkreist den Saturn in 1221600 km Entfernung. Er wurde schon 1655 von Huygens entdeckt. Deswegen wurde die europäische Landesonde auch Huygens genannt. Er umkreist den Saturn in 16 Tagen. Mit einer Dichte von 1.9 g/cm³ enthält Titan neben Eis sicher auch einen größeren Gesteinskern.

Schon im Jahre 1944 stellte man im Spektrum von Titan Absorptionsbanden von Methan fest. Das ist ein Gas, das auf der Erde ein sehr effektiver IR Absorber ist und damit den Treibhauseffekt mit Kohledioxid bewirkt. Noch vor der Ankunft der ersten Sonde die zu Saturn flog, Pioneer 11, meinte man, dass der Mond eine Oberflächentemperatur von -20° C hätte und sich dort Leben entwickeln könnte.

Voyager 1 wurde auf eine Bahn geschickt, die besonders nahe an Titan heranführte um diesen zu untersuchen. Sie passierte den Mond am 13.11.1980 in einer Distanz von nur 4000 km. Ihre Kameras konnten nicht die Atmosphäre durchdringen. Sie stellte folgendes fest:

• Titan ist kleiner als angenommen. Der von der Erde bestimmte Durchmesser von 5800 km war der mit der Atmosphäre. Diese selbst ist sehr ausgedehnt. Titan selbst hat nur 5120 km Durchmesser.
• Die Atmosphäre ist sehr dicht und hat einen Bodendruck von 1.6 Bar und besteht überwiegend aus Stickstoff und Helium. Mit Methan, Ethylen und einigen anderen organischen Molekülen als Minorbestandteilen <0.01 Prozent. Die Bodentemperatur beträgt nur 92 K (-179 °C).
• Die Atmosphäre ist zehnmal ausgedehnter als auf der Erde. Die obersten Smogschichten liegen in 400 km Höhe. So muss Cassini einen Abstand von mindestens 950 km von Titan halten, damit die Atmosphäre nicht die Bahn beeinflusst. Voyager 1 konnte keine Bilder der Oberfläche machen, da eine Dunstschicht aus Aerosolen in 200 km Höhe das sichtbare Licht blockiert. Auf den Voyager 1 Bildern war Titan eine strukturlose orangene Murmel.
• Aufgrund des Temperaturverlaufs wirkt die Stratosphäre als eine Kältefalle. Sie sollte daher einen konstanten Methananteil beinhalten. Regnet dieses ab, so müsste es durch Verdunstung nachgespeist werden.
• Die Oberfläche hat nur geringe Temperaturunterschiede von 3 Grad Celsius zwischen dem Pol und Äquator. In der oberen Atmosphäre gibt es dagegen Temperaturunterschiede von 20 Grad Celsius. Daher sollte es auch Winde und Wolken auf Titan geben

Dies nährte die Vorstellung eines "erdähnlichen" Titan, in dem in einer Stickstoffatmosphäre es Wolken, Regen und eventuell Flüsse und Seen gibt. Da Titan damit alleine im Sonnensystem ist, wurde der Mond erheblich interessanter.

In den späten achtziger Jahren entdeckte man bei der Auswertung von Radarechos, das Titan sehr "glatt" ist. Man interpretierte diese Daten, damit, dass er zum größten Teil mit einer Flüssigkeit bedeckt sein muss. Von den in der Atmosphäre vorhandenen Gasen kann dies Methan oder Ethan sein. Diese sind bei -180 ° Celsius flüssig. Man entdeckte auch, dass man bei 0.94-1.6 µm Wellenlänge tiefer sehen kann, eventuell bis zur Oberfläche. Dies wird Cassini ausnützen. Cassinis Kamera verwendet CCDs die im Gegensatz zu den Vidicon Röhren von Voyager auch im nahen Infrarot (bis 1100 nm Wellenlänge) empfindlich sind.

Der Befund eines zum großen Teil mit Flüssigkeit bedeckten Titans ist in den späten neunziger Jahren wieder ins Wanken gekommen. Inzwischen gibt es mit dem HST und einigen Teleskopen auf der Erde mit adaptiver Optik die Möglichkeit auch im nahen Infrarot den Titan zu erkunden. Sowohl das HST wie auch Aufnahmen von Keck und dem Franko-Kanadischen Teleskop zeigen einige unveränderliche Strukturen auf der Oberfläche. Es gibt aber auch Zonen die schwarz sind und die man für Ozeane halten kann (oder Gestein mit sehr hoher Absorption, Wassereis absorbiert IR Strahlung z.B. sehr stark). Da sowohl das HST wie erdgebundene Teleskope maximal Details von der Größe von ca. 300 km feststellen können ist dies jedoch offen. Heute gehen die meisten Wissenschaftler nach neueren Aufnahmen, die keine ausgedehnten dunklen Flächen zeigen, davon aus, das es wahrscheinlich keine ausgedehnten Ozeane, aber vielleicht Seen und Flüsse aus Ethan oder Methan gibt. Eine glatte Oberfläche erhält man auch durch einen dünnen Überzug aus Methan oder Ethaneis und dunkle Gebiete können ausgedehnte Wassereisflächen sein.

Die ausgedehnte Atmosphäre und die geringe Gravitationskraft des Titan bewirken, dass auf dem Mond Sonden sehr langsam sinken. Die Oberflächengravitation beträgt nur 1.345 m/s², das sind 13 % der irdischen Schwerkraft. So dauert der Abstieg von Huygens länger als selbst bei der Venus (deren 90 Bar dicke, 80 km hohe Atmosphäre in ca. 60 min durchwandert wird) oder der Erde (15-18 min) oder gar dem Mars ca. 7 Minuten. Es gibt jedoch eine große Unsicherheit, da man noch wenig über die Atmosphäre weiß. So gibt die ESA auch Zeiten von 120-150 min für den Flug von Huygens durch die Atmosphäre Titans an.

Cassini wird Titan insgesamt 44 mal anfliegen und dabei einen großen Teil der Oberfläche erfassen. Titan ist (inklusive seiner Atmosphäre die man immer mit ablichtet) aus einer Entfernung von 950000 km für die Telekamera und 95000 km für die Weitwinkelkamera formatfüllend.

Am 16.8.2004 konnte die NASA vermelden, dass man auf den Bildern von Cassini zwei neue Monde entdeckt hat: S/2004 S1, etwa 3 km groß umkreist Saturn in einer Umlaufbahn von 194000 km Entfernung (vom Zentrum) S/2004 S2, etwa 4 km groß umkreist 211000 km vom Zentrum entfernt den Planeten. Über die Bahnen war man überrascht, denn S1 hat eine Umlaufbahn nur 8500 km entfernt von der von Mimas und S2 eine 27000 km von Enceladus entfernt. Man erwartete in dieser Region keine Monde, sondern eher in den Ringlücken und nahe des F-Ringes, also wesentlich näher am Planeten. Die Monde sind auch wesentlich kleiner als die bekannten Monde. Die von Pioneer 10 und Voyager zwischen 1979 und 1981 entdeckten Hirtenmonde Pan, Atlas, Epimetheus, Prometheus, Pandora und Janus sind zwischen 20 und 200 km groß.

Bei der Rückkehr zu Saturn passierte die Sonde am 17.10.2004 den Mond Iapetus in 1.1 Millionen km. Dies ist zwar kein naher Vorbeiflug, doch auch Iapetus Bahn in 3.56 Millionen km Entfernung wird die Sonde nicht oft kreuzen. So dass man auf diese Aufnahmen gespannt war. Es zeigte sich, dass die berechnete Position von Iapetus deutlich von den Vorhersagen um bis zu ein Halbes Grad abwich. Die Position von Iapetus hängt auch von dessen Masse ab, die man kaum kennt, weil ihm auch Voyager nicht sehr nahe kam. Einige der nächsten Bilder der Telekamera zeigten nur den Himmel, nicht den Mond. Als Folge erhöhte man die Vorbeiflugdistanz für den Vorbeiflug am 31.12.2004 von 55200 km auf 117500 km, was bitter ist, da es nur einen weiteren Vorbeiflug an Iapetus geben wird. Cassini könnte Bahnänderungen durch Iapetus ausgleichen, nicht jedoch die mit Cassini an Iapetus vorbei fliegende Huygens Sonde, die zu diesem Zeitpunkt schon abgetrennt ist. Für Huygens erhöht sich die Vorbeiflugdistanz von 62300 km auf 121100 km.

Der 25.10.2004 stand voll im Zeichen von Titan, nun näherte sich die Sonde bis auf 1174 km an Titan. Dieser erste gezielte Vorbeiflug Ta führte also 300 mal näher an Titan heran, als der erste Vorbeiflug im Juli. Man hoffte auf bessere Bilder, auch wenn die Telekamera in 36000 km Entfernung ihren Betrieb einstellen muss um verwackelungsfreie Bilder zu erreichen. Zwar hat man dasselbe Problem des Dunstes und der fehlenden Schatten durch die dicke Smogschicht, doch wie ein Amateur Bilder summiert und so Details hervorhebt hat man viele Aufnahmen der Telekamera zusammengefasst und so ein besseres Bild von Titan erhalten. Der Vorgang ist hier dargestellt: Links Rohdatenbild, Mitte: Mehrere Rohdatenbilder summiert um Details hervorzuheben, Rechts: Zusätzliche Kantenhervorhebung.

Die Weitwinkelkamera konnte wegen ihres größeres Gesichtsfeld länger betrieben werden und machte bis in 4000 km Entfernung Bilder. Auch das Radar erfasste einen 120 × 2000 km großen Streifen mit 300 m Auflösung. In diesem konnte man keine Seen ausmachen, dafür merkwürdige Muster mit fast fraktalen Formen. Der Höhenunterschied betrug über diese 2000 km nur 150 m.

Lediglich CIRS fiel wegen eines Softwarefehlers aus. Dafür konnte NIMS erstmals die Hochatmosphäre des Titans direkt messen. Das Ergebnis: Das hohe Verhältnis von Stickstoff-15 zu Stickstoff 14 spricht dafür, dass der Mond ³/4 seiner Atmosphäre verloren hat.. Weiterhin entdeckte man, dass die Wolken am nicht aus Methan bestehen können. Sie sind zu groß und an der Falschen Stelle: Sie sollten am Südpol sein, da dieser gerade voll von der Sonne beschienen wird. So hinterließ der Titan Vorbeiflug mehr Rätsel als er löste. Ziel war es auch die obere Atmosphäre bis in 950 km Höhe zu charakterisieren, da diese etwas dichter war als erwartet, wurde die Vorbeiflugdistanz im Februar leicht erhöht.

Dossier Tethys

Tethys ist der innerste der großen Saturnmonde ("groß": mehr als 1000 km Durchmesser). Er umrundet Saturn in einer Entfernung von 294700 km. Der Mond mit 1050 km Durchmesser wurde 1684 von Cassini entdeckt. Er ist der fünftgrößte Saturnmond. Er besteht vorwiegend aus Eis und hat nach den Voyagermessungen eine mittlere Dichte von 1.21 g/cm³. Von allen Saturnsatelliten ist er am besten von Voyager fotographisch erfasst worden. Voyager 1 passierte Tethys in 415970 km Entfernung, Voyager 2 in 93000 km Entfernung. Allerdings gibt es von Voyager 2 durch einen Kameradefekt nur wenige Aufnahmen aus nächster Nähe. Durch die schnelle Rotation um den Saturn (Tethys braucht weniger als 46 Stunden für einen Umlauf) konnte man aber auch aus größerer Distanz Aufnahmen mit geringerer Auflösung machen.

Charakteristisch an Tethys ist seine Helligkeit: Der Mond hat eine Albedo von 80 %, das ist sehr viel und liegt nahe dem Wert für reines Eis. Nur Enceladus ist noch heller. Der Mond ist auf den Voyagerbildern einfach nur gelb, ohne jede Spur anderer Farbtöne. Wie andere Eismonde ist er mit Kratern dicht belegt. Auf Aufnahmen größerer Entfernung ist ein 400 km großer Krater bei 30 Grad Nord und 130 Grad West zu sehen. Der Aufschlag muss den ganzen Mond durchgerüttelt haben, denn als Folge durchzieht bei 0 Grad Länge von Norden nach Süden ein Grabensystem namens Ithaca Chasma den Mond. Voyager entdeckte auch zwei koorbitale Satelliten, die Tethys um 60 Grad voraus laufen bzw. nachlaufen. Der erste Besuch von Cassini nimmt ein Gebiet zwischen 30 Grad und 210 Grad auf.

Tethys ist für die Telekamera aus einer Entfernung von 172000 km formatfüllend. Tethys bekommt keinen gezielten Vorbeiflug, wird von Cassini 6 mal in einer Distanz von unter 100.000 km angeflogen:

Wenige Tage später erreichte Cassini den Saturn. Die minimale Entfernung betrug 374000 km. Neben den Ringen stand nun nur noch eine Mondpassage an: Tethys wurde am 28.10.2004 in 253000 km Entfernung passiert. Dabei entstanden etwa 20 Aufnahmen, die besten die es je von der beobachteten Seite von Tethys gab. Auf der oben abgebildeten Aufnahme ist am Rande gerade noch Ithaca Chasma erkennbar. Tethys wird keinen nahen Vorbeiflug erhalten, jedoch zweimal von Cassini im Abstand von 36500 und 67500 km passiert. Danach war Cassinis erste Orbitpassage beendet und der zweite begann.

Wie zu erwarten, dauerte es einige Zeit bis zumindest ein Teil der Daten ausgewertet wurde, doch im November gab es eine erste Veröffentlichung von Ergebnissen des ersten Orbits:

• Auf Titans Oberfläche konnte weder auf den Bildern von ISS und VIMS noch auf den RADAR Aufnahmen Anzeichen für Ozeane aus flüssigen Kohlenwasserstoffen erkannt werden. Das flüssige Methan (Gehalt nach den Messungen von Cassini 1.8 ± 0.5 Prozent in der Atmosphäre muss entweder als Schlamm oder unterirdisch vorliegen.
• Die Titanoberfläche ähnelt mehr der Venus als anderen bekannten Oberflächen, so war auf den RADAR Aufnahmen ein 100 km großes erhabenes Gebilde zu sehen, dass an die "pancake domes" der Venusoberfläche erinnert. Manche Forscher postulieren schon einen ähnlichen Vulkanismus, wobei die "Lava" aus Wassereis angereichert mit Ammoniak und Methan bestehen könnte.
• Titan verfügt über kein messbares Magnetfeld. Die Elektronen im Saturnsystem können so in die obere Atmosphäre eindringen und neben der Sonne auch chemische Reaktionen induzieren. Das Edelgas Argon, das wegen einer hohen Atommasse bislang auf jedem Planeten nachweisbar war der eine Atmosphäre hat wurde auf Titan nicht gefunden.
• Bei den ersten Bildern von Iapetus (noch aus 1.2 Millionen km Entfernung gewonnen) waren 10-20 km hohe Berge als weise Gipfel auf der dunklen Seite des Mondes sichtbar.
• Die Dichte des 25 km großen Mondes Pan konnte durch seinen Einfluss auf den A-Ring zu etwa 0.5 g/cm³ bestimmt werden. Der Mond ist also deutlich leichter als reines Wassereis.
• Cassini konnte Stürme bei 36 Grad Süd sowie die von den Gewittern verursachten Polarlichter beobachten
• Bis in 45 Saturnradien (2.72 Millionen km) ist eine Wolke aus Wasserstoffatomen nachweisbar. Sie wird gespeist durch die Eismonde, bei denen energiereiche Teilchen Wassermoleküle herausschlagen und diese dann durch Saturn Strahlungsgürtel aufgespalten werden.

Orbit B

Der Vorbeiflug an Titan am 25.10.2004 änderte den Orbit ab. Der neue Orbit hat eine Distanz von 0.29 - 4.6 Millionen km mit einer Inklination von 13.8 Grad zum Saturnäquator mit einer Umlaufsdauer von 50 Tagen. Auf diesem wird sich Cassini am 13.12.1004 wieder Titan nähern. Die maximale Entfernung von Saturn hat sich damit um den Faktor 2 halbiert. Am 9.11.2004 wurde eine Aufnahme veröffentlicht die noch während des ersten Orbits gewonnen wurde und welche die Dichtewellen in den Saturnringen in bislang nicht erreichter Auflösung zeigt. Bei der Passage von χ Ceti durch die Ringe maß das UVS Instrument die Abschwächung der Helligkeit und damit die Dichte der Ringe. Aus 6.8 Millionen km Entfernung zeigt die Aufnahme noch Schwankungen von 800 m verursacht durch den Saturnmond Janus. Innerhalb von 30 m wechselten noch die Helligkeiten. Bis zu dieser Skala sind die Ringe also in Einzelringe unterteilt.

Am 20.sten November fand eine Zündung des Triebwerks statt, welche die Sonde auf Titan Kurs bringen soll. Eine Verfeinerung der Bahn fand am 9.12.2004 statt. Nun war Cassini auf einem Kurs zu Titan der sie am 13.12.2004 bis auf 1200 km an Titan heranbringt. Die Genauigkeit wurde von der NASA mit ± 30 km angegeben. Tatsächlich erreichte die Sonde eine Entfernung von 1195 km. Dabei bremste die Atmosphäre die Sonde unerwartet stark ab, so dass man für den nächsten nahen Vorbeiflug im Februar 2005 die minimale Distanz von 950 auf 1025 km angehoben hat.

Dieser Titan Vorbeiflug Titan Tb ist deswegen so wichtig, weil er anders als der erste Vorbeiflug Ta eine Bahn hat, bei der Cassini die Landestelle von Huygens beobachten kann. So soll die Kamera ISS diese Stelle genau fotografieren. Wie beim Titan Ta Vorbeiflug wird der Datenrekorder fast vollständig mit Daten gefüllt. 3.5 der 4 GBit sollen ausgenützt werden. Gegenüber den ursprünglichen Planungen hat man den Abstand von Titan von 2358 auf 1200 km erniedrigt. Es standen diesmal keine RADAR Aufnahmen gemacht werden, sondern die Aufmerksamkeit gilt der Atmosphäre, die im Gegenlicht nach der Passage aufgenommen wurde. Dabei wurde auch diese Aufnahme der Dunstschichten über dem Planetenrand gemacht. Bilder aus größerer Entfernung zeigten, dass sich zwischen dem letzten Vorbeiflug und diesem Vorbeiflug die Wolken nahe des Südpol verändert haben und am Südpol neue aufgetaucht sind.

Dossier Dione

Dione ist der viertgrößte Saturnmond. Er hat einen Durchmesser von 1120 km und ist damit nur wenig größer als Tethys. Er ist nach Tethys nächst äußere Mond. Dione umkreist Saturn in einer mittleren Entfernung 379064 km. Auf den Aufnahmen von Voyager hat Dione zwei Hälften: Zwischen 80 und 210 Grad ist der Mond sehr hell, fast weis. Die andere Hälfte hat eine gleichmäßige braune Farbe, aufgehellt nur durch Krater und vor allem einem System aus zarten, hellen Strukturen der Amata.

Diese Zweiteilung in der Helligkeit (Albedo von 30 und 60 Prozent entsprechend) ist auch die Geologie unterschiedlich. Das dunkle Gebiet, das von Voyager 1 in 161520 km Entfernung fotografiert wurde ist relativ reich an Kratern. Sie sind jedoch kleiner als bei Tethys und auch seltener vorkommend. Der größte hat einen Durchmesser von 165 km. Die helle Seite wurde von Voyager 2 in 502000 km Entfernung passiert und erscheint erstaunlich glatt. Allerdings kann dieser Eindruck auch täuschen, da aus dieser Entfernung die kleinsten Strukturen die erkennbar sind mindestens 10 km groß sein müssen.

Auch Dione hat einen koorbitalen Satelliten, der 60 Grad vor Dione den Saturn umläuft. Wie Dione braucht er knapp 2 Tage 18 Stunden um Saturn zu umrunden. Von den Eismonden (alle außer Titan) ist Dione der Mond mit der höchsten Dichte. Sie liegt bei 1.44 g/cm³.

Die Passage von Cassini am 15.12.2004 ergänzt die Voyager Messungen, weil sie ein Gebiet abdeckt, dass Voyager nur aus großer Entfernung abbilden konnte. Mitten durch das Bild sollte zudem einer der Ausläufer von Amata verlaufen, die bei den Voyager Aufnahmen nur aus großer Entfernung abgebildet wurde oder am Rande stark verzerrt zu sehen war.

Dione erhält nur einen gezielten Vorbeiflug am 11.10.2005. Nur zwei weitere Vorbeiflüge mit einer Distanz unter 100.000 wird es geben. Damit erhält Dione von allen größeren inneren Saturnmonden die wenigsten Vorbeiflüge. Dies ist verwunderlich, da Dione näher an Saturn liegt als Tethys und Rhea und daher Cassini im Mittel Dione näher passieren sollte als diese beiden Monde. Dione ist bei einer Entfernung von 184000 km für die Telekamera von Cassini formatfüllend.

Am 15.12.2004 passiert die Sonde den saturnnächsten Punkt und macht dabei Aufnahmen von Dione. Dieser Mond sollte in 72500 km Entfernung passiert werden, man hat die Passagedistanz (bedingt wahrscheinlich durch die nähere Titanpassage) auf 81500 km erhöht. Es gibt nur einen weiteren geplanten nahen Vorbeiflug an Dione im Oktober 2005. Es wurden 55 Aufnahmen der Telekamera und weitere der Weitwinkelkamera gewonnen. Weitere Aufnahmen von Tethys, Enceladus, Mimas und Rhea gelangen aus 560.000-2 Millionen km Entfernung.

Am erstaunlichsten war, dass die weise Struktur "Amata" die auf Voyager Aufnahmen sich über hunderte von Kilometern erstreckte nicht aus frischem Eis (z.B. bei einem Einschlag ausgeworfenen Eis des Untergrundes) besteht. Stattdessen ist dies ein Produkt von tektonischen Spannungen. Je näher man Dione kam desto dunkler wurde Amata. Auf dem obigen Bild ist es schon wesentlich schwächer ausgeprägt als auf den Voyageraufnahmen oder Weitwinkelaufnahmen. Bei den Detailaufnahmen waren dagegen die steile Klippen erkennbar, die meistens als Doppelstruktur wie bei einem Graben sich über den Mond zogen. Leider gingen einige Bilder des Vorbeiflugs verloren.

Messungen des UVIS Instrumentes zeigten, dass der E-Ring vor relativ junger Zeit (10-100 Millionen Jahre) mit neuem Eis versorgt sein mussten. Als Quelle vermutet man kleine Eismonde von maximal 20 km Entfernung. Ohne diese Quelle würde der E-Ring innerhalb von 100 Millionen Jahren verschwinden.

Orbit C

Am 15.12.12004 passierte Cassini den Saturn in 4.8 Radien (577000 km) Entfernung und begann seinen dritten Orbit. Die Passage an Titan hat den Orbit um Saturn wieder geändert. Die Umlaufperiode wurde erneut verkürzt, so dass nun Cassini nach 32 Tagen wieder bei Titan ankommt. Der neue Orbit hat nach dem Titanvorbeiflug eine Entfernung von 231000 km bis 3533000 km von Saturn bei 8.2 Grad Inklination. Der Orbit B hatte noch 313000 bis 4.6 Millionen km Saturnentfernung bei 13.8 Grad Neigung.

In Orbit 3 liegt nach dem Eintritt in den Saturnorbit wichtigste Ereignis: Das Absetzen der Huygens Kapsel und deren Landung.

Am 18.12.2004 zündete Cassini seine Triebwerke für 84.9 Sekunden (geplant 85.1 Sekunden) und änderte seine Geschwindigkeit um 11.9 m/s. Nun zeigt Cassini genau auf das Gebiet auf Titan in dem Huygens landen soll.

Am 25.12.2004 gibt es das zweite Weihnachtsgeschenk für die europäische Raumfahrt. Nachdem vor einem Jahr Mars Express in seine Umlaufbahn eingeschwenkt ist wird nun Huygens abgetrennt. Die NAC machte kurze Zeit später ein Bildmosaik von Huygens, auf dem die Sonde 3 Pixel groß abgebildet ist und 12 Stunden nach dem Abtrennen macht die NAC ein zweites Mosaik, auf dem Huygens dann 12 Pixel groß erscheint. Die Sonde ist dann schon 15 km entfernt, doch die Kameras von Cassinis haben einen festen Fokus und der ist nun mal für die Aufnahme von Monden aus der Entfernung ausgelegt. Die Auswertung der Aufnahmen zeigte, das Huygens korrekt auf Kurs war.

Am 28.12.2004 wird Cassini seine Bahn ändern um nicht wie Huygens auf Titan aufzuschlagen. Er ändert seine Geschwindigkeit um 26.4 m/s und legt dabei die Bahn so, dass er in einer Entfernung von 60000 km an Titan vorbeifliegt.

Dossier Iapetus

Iapetus ist der äußerste der großen Eismonde und auch der äußerste Mond mit einer kreisförmigen Bahn. Er umkreist Saturn in einer Entfernung von 3.560.000 km. Für einen Umlauf braucht er mehr als 79 Tage.

Schon bei Beobachtungen von der Erde aus zeigte sich, dass der zweitgrößte Eismond (Durchmesser 1440 km) zwei sehr unterschiedliche Hälften hat. Noch ausgeprägter als bei Dione ist der Helligkeitsunterschied. Die vordere Hemisphäre ist sehr dunkel (4-5 % Albedo, noch dunkler als der Mond, die hintere Hälfte dagegen relativ hell (50 % Albedo).

Die dunkle Seite machte Cassini als er den Mond entdeckte große Probleme, denn dadurch war er in den einfachen Teleskopen nicht mehr sichtbar, wenn er auf der anderen Saturnseite ankam.

Die Grenze ist nicht scharf, es gibt ein 200-300 km breites Gebiet in dem beide Teile ineinander übergehen. Der Ursprung des dunklen Gebietes ist unbekannt. Eine der Theorien geht davon aus, dass Iapetus Material aufsammelt, dass je nach Kulör von Hyperion oder Phoebe stammen soll. Weiterhin gibt es bei 0 Grad Breite und 330 Grad Länge einen 400 km großen Ring des dunklen Materials mitten im hellen Gebiet. Daher wird auch spekuliert ob dieses durch Vulkanismus entstehen konnte. Das Bild links, von Cassini aus 762000 km Entfernung gemacht, zeigt deutlich das dunkle Gebiet. (Farbcomposite von mir aus 3 Einzelaufnahmen in Rot, Grün und UV).

Bislang konnte keine Theorie überzeugen. Die dunkle Region "Cassini Region" genannt ist rötlich gefärbt. doch Phoebe ist grau und nicht rot. Die Theorie, dass die Farbe von innen kommt, kann leider nicht erklären wie diese so gleichförmig verteilt ist. Und die neueste Theorie, einer der vielen neu entdeckten kleinen Saturnmonde wäre aufgeschlagen und hätte die Einfärbung verursacht hat den Nachteil, dass dies extrem unwahrscheinlich ist.

Die Dichte von Iapetus liegt nach Voyager Messungen bei 1.2 g/cm³ und damit relativ gering für seine Größe. Weil er sich so weit von Saturn entfernt, war er auch in keiner günstigen Position für Beobachtungen von Voyager. Voyager 1 näherte sich nur auf 2.47 Millionen km an Iapetus und konnte kaum Details ausmachen. Voyager 2 passierte den Mond in 880440 km Entfernung und konnte etwa ein Viertel der Oberfläche erfassen. Nur ein Viertel und nicht die Hälfte weil das aufgenommene Gebiet beide Teile des Mondes zeigten: Helle und dunkle Teile. Man musste sich für eine Belichtungszeit entscheiden und konnte so nur die hellen Gebiete gut aufnehmen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Voyagerkameras nicht so lichtempfindlich waren wie die CCD Chips der ISS Kamera.

Cassini konnte schon in den vergangen Monaten Aufnahmen aus größerer Entfernung machen und dabei mehr Details der dunklen Seite von Iapetus aufnehmen. Allerdings sind die bisher besten Cassini Aufnahmen gerade einmal so gut wie die besten von Voyager 2. Sie deckten aber den ganzen Mond ab. So hatte man schon vor dem Vorbeiflug 3 neue große Einschlagsbecken von 390, 400 und 550 km Größe gefunden - für einen nur 1436 km großen Mond eine ganze Menge. Auch dass es ein 2000 km langes Gebirgsband gibt war schon vorher klar, auch wenn man auf den Aufnahmen noch nicht erkennen konnte dass es sich schnurgerade um den Äquator zog.

Iapetus ist aus einer Entfernung von 235.000 km für die Telekamera von Cassini formatfüllend. Neben diesem einen Vorbeiflug an Iapetus gibt es nur einen weiteren Vorbeiflug am 10.9.2007. Da der Mond gebunden rotiert und man pro Vorbeiflug nur eine Hälfte des Mondes erfassen kann, war der zusätzliche Vorbeiflug von Cassini also eine deutliche Verbesserung des Beobachtungsprogramms.

Nun kommt es zur wichtigsten Begegnung für Cassini in Orbit 3: Dem nahen Vorbeiflug an Iapetus. Aus Sicherheitsgründen hat man die Distanz von 55.300 auf 123.400 km erhöht - unnötigerweise, wie die Bestimmungen der Masse nach Orbit 2 ergaben, doch die Sicherheit der Huygensmission hatte Vorrang. Cassini wird Iapetus dreimal um den 1.1.2005 herum erfassen. Dies ist möglich, da sich die Sonde nahe ihres fernsten Punktes in 3.5 Millionen km Entfernung von Saturn befindet und die Relativgeschwindigkeit zwischen beiden Körpern so klein ist und sich die Distanz über Stunden nur gering ändert. Leider ist schon die Hälfte des Recorders für die Cassini Daten gesperrt und so kann man nur 2 GBit an Daten sammeln. Geplant sind für das ISS Experiment 8 Mosaike, die vor allem die nördliche Region abdecken. Besonders gut wird das Gebiet zwischen 30 und 150 Grad Länge und 60 Grad Nord bis 40 Grad Süd erfasst. Dieses ist vor dem Vorbeiflug weitgehend unbekannt und liegt mitten im dunklen Gebiet.

288 Aufnahmen sind geplant, darunter auch langzeitbelichtete Aufnahmen im Gegenlicht von Saturn um die Oberfläche besser zu erfassen. Danach ist die Oberfläche von Iapetus 10 mal besser erfasst als nach den Voyagerflügen. Die Aufnahmen zeigten einen bizarren Mond. Ein 400 km großes, sehr altes Einschlagsbecken mit steilen Wänden ist am Rande von Iapetus zu erkennen. Das dunkle Gebiet konnte durch Langzeitbelichtungen sehr gut abgebildet werden und zeigt sich als genauso stark zerkratert wie das helle Gebiet. An der Grenze zwischen hellem und dunklen Gebiet fand sich ein sehr stark verwittertes Becken von etwa 250 km Durchmesser. Iapetus gehört damit zu den am stärksten verkraterten Körpern im Sonnensystem. Besonders Auffällig war aber eine mindestens 1300 km lange (eventuell bis 2000 km lange) Gebirgskette mit 20 km hohen Bergen die sogar die Kugelgestalt des Mondes beeinträchtigt. Sie besteht teilweise aus 2 Rillen, ähnlich wie die Mittelatlantischen Rücken auf der Erde. Sie war schon aus großer Entfernung aufgefallen und wie sie entstanden ist, darüber rätseln noch die Wissenschaftler. Auch zeigen die Krater helle Wände, viele aber nur in einer Richtung. Innerhalb des Beckens gibt es einen riesigen Erdrutsch, der sehr jung sein muss, denn er weist keinerlei Krater auf.

VIMS konnte aufgrund der großen Entfernung Iapetus nur mit 60 km Auflösung abbilden. Es stellte jedoch fest, dass der Mond mindestens 3 Zonen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung an der Oberfläche aufweist. Eine Zone vorwiegend aus Wassereis, eine bedeckt mit organischem Material und eine mit einer Mischung aus beidem.

Nach Beendigung des Iapetus Vorbeifluges, des einzigen nahen Vorbeiflugs bis zum gezielten Vorbeiflugs am 10.9.2007 wird die Sonde nach und nach ihre Aktivitäten einstellen. Ab dem 7.1.2005 ist der wissenschaftliche Betrieb bei Cassini eingestellt um nicht durch Probleme die Huygens Mission zu gefährden. Über den Ablauf der Huygens Mission informiert diese Seite auf meiner Website. Cassini wird am 14.1.2005 die Daten von Huygens vierfach aufzeichnen und dann bis zum 15.1.3005 zweimal übertragen, jeden Datenblock also 8 mal. Danach ist Cassini frei für die Annäherung an Saturn. Für die Instrumente die Felder vermessen, ist die Abtrennung von Huygens sogar von Vorteil, denn nun ist eine Störquelle verschwunden.

Kurz danach stehen allerdings schon wieder drei nahe Vorbeiflüge auf dem Programm: Am 15/16 Januar passierte Cassini innerhalb von 21 Stunden zuerst Mimas in 108000 km Entfernung. Schon 8 Minuten später war der nächste Abstand zu Enceladus mit 189000 km Entfernung erreicht. 19 Stunden später war dann Rhea dran in 153300 km Entfernung. Mimas wurde über einer Viertel Umdrehung hinweg erfasst, bei dem der Riesenkrater Herschel in die Bildmitte rückte. (Bild Links). Dieser Krater hatte dem Mond, als er auf den Voyager 1 Bildern im November 1980 entdeckt wurde den Beinamen "Star-Wars" oder "Todesstern" Mond eingebracht. Dies ergänzte die Voyager 1 Bilder, welche die andere Seite von Mimas in 108000 km Entfernung abbildeten. Enceladus war wie auf den bisherigen Voyager Aufnahmen strukturlos, doch hier steht schon nächsten Monat ein naher Vorbeiflug an, der vielleicht die glatten Ebenen auflösen soll und von Rhea gelangen die besten Aufnahmen seit dem Voyager 1 Vorbeiflug im Jahre 1980. Sie zeigen die hellen Bänder, die schon bei Voyager aufgefallen sind (und die es auch bei Dione und Tethys gibt) sehr deutlich. Auch hier sind auf einigen Aufnahmen schnurgerade helle Linien auf den Fotos zu erkennen.

>Über die Mission von Cassini im Jahre 2005 informiert der nächste Teil.

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Das Programm läuft unter Windows 95,98,Me, NT4, 2000 und XP. Hier erfahren Sie mehr über das Programm.

Links

Planetary.org : Viele Hintergrundinfos zu Cassini und Saturn

DLR Cassini Seiten (Deutsche Übersetzung der NASA Seiten)

NASA Cassini Website

Cassini RAW Images

Alle Bilder: Copyright Courtesy NASA/JPL-Caltech.

Bücher vom Autor über Raumsonden

Lang Zeit gab es von mir nur ein Buch über Raumsonden: die beiden Mars-Raumsonden des Jahres 2011, Phobos Grunt und dem Mars Science Laboratory. Während die russische Raumsonde mittlerweile auf dem Grund des Pazifiks ruht, hat für Curiosity die Mission erst bekommen. Das Buch informiert über die Projektgeschichte, den technischen Aufbau der Sonden und ihrer Experimente, die geplante Mission und Zielsetzungen. Die Mission von Curiosity ist bis nach der Landung (Sol 10) dokumentiert. Einsteiger profitieren von Kapiteln, welche die bisherige Marsforschung skizzieren, die Funktionsweise der Instrumente erklären aber auch die Frage erläutern wie wahrscheinlich Leben auf dem Mars ist.

2018 wurde dies durch zwei Lexika, im Stille der schon existierenden Bücher über Trägerraketen ergänzt. Jedes Raumsonden Programm wird auf durchschnittlich sechs bis acht Seiten vorgestellt, ergänzt durch eine Tabelle mit den wichtigsten zeitlichen und technischen Daten und Fotos der Raumsonde, bzw., Fotos die sie aufgenommen hat. Ich habe weil es in einen band nicht rein geht eine Trennung im Jahr 1990 gemacht. Alle Programme vorher gibt es in Band 1. Die folgenden ab 1990 gestarteten dann in Band 2. In Band 2 ist ein Raumsonden Programm meist eine Einzelsonde (Ausnahme MER). In Band 1 dagegen ein Vorhaben das damals zumeist aus Doppelstarts bestand, oft auch mehr wie z.B. neun Ranger oder sieben Surveyor. Beide Bänder sind etwa 400 Seiten stark. In Band 1 gibt es noch eine gemeinsame Einführung für beide Bände über Himmelsmechanik und Technik der Instrumente. Beide Bände haben einen Anhang mit Startlisten, Kosten von Raumsonden und Erfolgsstatistiken. Band 2 hatte Redaktionsschluss im Januar 2018 und enthält die für 2018 geplanten Missionen über die es genügend Daten gab.

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