¿Por qué Saturno es invisible en esta imagen de radar de sus anillos?

El problema principal es que hay relativamente poco material en la atmósfera de Saturno que pueda dispersar eficientemente las ondas de radar, por lo que el radar básicamente es absorbido.

El punto clave es que es mucho más difícil obtener un retorno de radar de los objetos muy pequeños (gotas de aerosol o partículas de hielo diminutas) que formarían nubes en la atmósfera superior de Saturno que detectar los trozos de hielo del tamaño de un metro en los anillos.

La siguiente figura (desde aquí ) muestra$\sigma / (\pi r^{2})$, que es la sección transversal de dispersión "efectiva" relativa a la sección transversal geométrica de un objeto de dispersión, graficada frente al tamaño del objeto$r$en relación con la longitud de onda de la luz$\lambda$(por ejemplo, las ondas de radio utilizadas en el radar). Cuando el tamaño del objeto es aproximadamente del mismo tamaño que la longitud de onda de la luz, o mayor, los dispersa eficientemente: su sección transversal efectiva es aproximadamente la misma que su sección transversal geométrica (ignorando otros efectos como la composición química, la rugosidad de la superficie, etc. .). ¡A veces incluso puede ser varias veces más grande!

Pero cuando los objetos se vuelven más pequeños que la longitud de onda, pasa al régimen de dispersión de Rayleigh, donde la dispersión depende del tamaño del objeto a la sexta potencia .

Imagine una esfera de 10 cm de radio, aproximadamente lo mismo que las longitudes de onda típicas de un radar (por lo que$2 \pi r / \lambda \sim 1$). Tendrá una sección transversal efectiva similar a su sección transversal geométrica: unos 300 cm.$^2$. Ahora imagina subdividir ese objeto en esferas de una décima parte del radio. Esto significaría unos 1000 objetos de 1 cm de radio (para que el volumen total sea el mismo), con una sección transversal geométrica total de unos 3000 cm.$^2$(siendo realistas un poco menos, debido al sombreado). Pero el gráfico muestra que la sección transversal efectiva se reduce en un factor de 1000, por lo que la sección transversal total del radar de todos los objetos pequeños (y, por lo tanto, la energía retrodispersada de las ondas del radar) sería diez veces menor de lo que era para el único gran objeto del mismo volumen total. Y eso es solo por una reducción de tamaño de diez; en realidad, estamos hablando de pasar de objetos del tamaño de un centímetro a un metro (el anillo) a partículas de nubes de tamaño sub-mm y micras en la atmósfera de Saturno.

Esta es la razón por la cual el radar meteorológico en la Tierra puede mostrarle la precipitación (lluvia, nieve, granizo), porque las gotas de lluvia, etc. son grandes (unos pocos milímetros de tamaño) y pueden dispersar las ondas de radar con cierta eficiencia, pero por lo general no pueden mostrar las nubes , porque las gotas de agua que forman las nubes son muy pequeñas. (Y, obviamente, el radar no sería tan útil para los militares si las nubes lo dispersaran fácilmente).

Entonces, en ausencia de trozos flotantes de hielo de un centímetro o de gran tamaño en la atmósfera superior de Saturno, no obtendrá mucho retorno de radar de Saturno mismo. El descubrimiento original de los retornos de radar de los anillos sorprendió a la gente, porque se suponía que los anillos estaban formados por trozos de hielo muy pequeños (por ejemplo, del tamaño de una micra ), que tampoco reflejarían eficientemente las ondas de radar.

Las imágenes que presentas no son imágenes literales de los anillos de Saturno. Son gráficos de "retraso Doppler": el eje vertical representa la distancia desde la Tierra, mientras que el eje horizontal representa la velocidad hacia o desde la Tierra. Dado que las partículas del anillo se mueven en trayectorias circulares alrededor de Saturno, esto produce una carta elíptica.

Otra evidencia de que esta no es una imagen literal es el hecho de que los anillos no son concéntricos. El anillo B está más cerca de Saturno que el anillo A (menos variación en la escala vertical), pero debido a que está más cerca, las partículas se mueven más rápido (más variación en el eje horizontal).

La ausencia de Saturno, como se señala brevemente en el artículo que mencionas, se debe simplemente a que no es muy brillante. Solo una pequeña porción de Saturno se mueve a cualquier combinación dada de velocidad y distancia en comparación con las grandes áreas de los anillos, y los gases atmosféricos son solo débiles reflectores de radar donde la roca es un reflector fuerte. De acuerdo con las figuras 3 y 4 del artículo, si fuera visible, Saturno sería un arco en el medio de la gráfica, extendiéndose verticalmente desde 0 hasta alrededor de -200, y horizontalmente desde -141 hasta +141.