Fra i 5 pianeti visibili ad occhio nudo, noti fin dall'antichità, Saturno, osservato al cannocchiale da Huygens nel 1655, mostrò uno degli spettacoli più seducenti del cielo: uno splendido sistema di anelli.

Le conoscenze del pianeta hanno raggiunto un buon livello solo 20 anni fa, grazie alle sonde Pioneer 11 (1979), Voyager 1 (1980), Voyager 2 (1981), che è transitata a circa 6 volte il raggio di Saturno, presso l'orbita del satellite Dione, Cassini Huygens (2004-08) ed al Telescopio Spaziale Hubble (HST). Si è visto che è il pianeta con il maggior numero di satelliti (60 quelli ufficiali).

Come negli altri pianeti giganti, l'inizio dell'atmosfera viene fissato nello strato avente la pressione di un bar; in questo punto la temperatura è di 134 K e scende a meno di 100 K ad una quota di circa 110 km, dove la pressione è di circa 0.1 bar. Al di sopra di questa quota inizia la mesosfera dove la temperatura riprende a crescere.

Saturno, come Giove, irradia verso l'esterno più energia di quanta ne riceva dal Sole; nell'infrarosso, il valore raddoppia rispetto al visibile. Questo eccesso di energia è dovuto principalmente alla trasformazione in calore dell'energia potenziale dell'elio che sedimenta verso l'interno. Questo processo spiega la scarsità di elio nell'atmosfera rispetto agli altri pianeti giganti (1/4 rispetto a Giove).

Esternamente Saturno si presenta con varie fasce colorate (evidenziate in immagini a falsi colori), indice di una differente composizione chimica delle nubi più alte. L'idrogeno, legandosi con carbonio ed azoto, forma idrocarburi ed ammoniaca. Le sonde Voyager hanno, inoltre, rilevato la presenza dei composti di idrogeno con fosforo ed ossigeno. Sono stati poi individuati composti come l'idruro di germanio e l'arsina, presenti in concentrazioni infinitesimali, che, prodotti in profondità, dove i valori di temperatura e pressione sono più elevati, conferiscono a Saturno la sua colorazione giallastra.
Le immagini nell'infrarosso ci permettono di distinguere le nubi fredde, quindi alte, da quelle calde, situate a quote più basse. Questo sistema nuvoloso è meno appariscente di quello gioviano.

Nonostante il loro aspetto uniforme, si nota che le fasce nuvolose sono talvolta interrotte da giganteschi vortici, macchie, che raggiungono velocità di circa 1500 km/h, che hanno origine nella parte più interna dell'atmosfera. Il colore di queste bande è dovuto alla loro composizione: il biancastro delle nubi più alte è legato all'ammoniaca, mentre il bruno di quelle più basse al solfuro di ammonio. Infine, l'azzurrino di alcune zone è dovuto alla presenza di cristalli d'acqua.

La rapida rotazione di Saturno e l'inclinazione di 27° dell'equatore rispetto al piano dell'orbita sono i due fattori che principalmente influenzano l'atmosfera saturniana.

Le sonde Voyager hanno misurato velocità di venti che, all'equatore, raggiungono punte di 500 m/s. Sono stati, inoltre, osservati anche dei venti zonali a latitudini di 30°,50° e 60° nord e sud con velocità di 100-150 m/s; dato che a latitudini di 40°, 58° e 70° soffiano venti diretti in direzione contraria, si determinano, come su Giove, delle zone di instabilità.

La vera particolarità di Saturno, è, comunque, la sua perfetta simmetria nella distribuzione dei venti nei due emisferi, nonostante l'inclinazione dell'equatore rispetto al piano dell'orbita sia 27°. Questo fatto dovrebbe, in teoria, causare una alternanza di stagioni, proprio come sulla Terra. Ciò può essere spiegato tenendo presente la sua lontananza dal Sole, la cui radiazione è troppo debole per poter influenzare l'atmosfera.

Fra le varie macchie ovali identificate in entrambi gli emisferi, se ne può mettere in evidenza una, la Nube Ovale Rossa, nota anche come "Macchia di Anna", posta a 55° sotto l'equatore di dimensioni di 5000x3000 km, che è analoga alla Grande Macchia Rossa di Giove. Il suo colore rosso lascia pensare alla presenza di fosforo. Una possibile spiegazione della loro longevità è che questi vortici siano collegati ad un sistema molto più profondo e stabile che si sviluppa in verticale, rendendolo così in grado di resistere alle perturbazioni.

Saturno, come tutti i pianeti giganti, è prevalentemente gassoso; le osservazioni delle sonde Voyager inducono però a pensare alla presenza di un nucleo centrale roccioso, di circa 0.2 raggi planetari (delle dimensioni della Terra), formato da ossido di magnesio, silice ed ossido ferroso, che conterrebbe circa il 26% della massa totale del pianeta. La densità media, 0.69 g/cm³, è minore dell'acqua.

Secondo i modelli più attendibili il nucleo, dove la temperatura raggiunge 11 mila Kelvin e la pressione 20 milioni di bar, è circondato da un involucro di idrogeno molecolare allo stato metallico, che giunge fino a metà del raggio; qui la temperatura è di circa 4000 K e la pressione è di 2 milioni di bar.

Campo Magnetico

Nel 1979, la sonda Pioneer 11 confermò l'esistenza di un campo magnetico (ipotizzato per la presenza di idrogeno liquido che lo avrebbe prodotto per effetto dinamo), la cui intensità fu in seguito misurata dalle Voyager: risultò essere 20 volte minore di quello gioviano e, quindi, dell'ordine di quello terrestre. La sua particolarità sta, comunque, nel fatto che il suo asse coincide quasi esattamente con quello di rotazione del pianeta. Alla sua conformazione partecipano in maniera tutt'altro che trascurabile i satelliti maggiori, Titano con la sua atmosfera, Rhea e gli anelli. Esso interagisce con il vento solare generando una magnetosfera di dimensioni intermedie tra quella di Giove e quella della Terra.
La missione Voyager ha rilevato aurore polari simili a quelle terrestri, però situate anche a media latitudine; per queste ultime non vi è ancora una spiegazione soddisfacente.

Saturno, come Giove, è una radiosorgente che emette impulsi di lunghezza d'onda variabile da un centinaio di metri a qualche chilometro e con periodicità di 10h 39.4m: effettivo periodo di rotazione del pianeta.

Il sistema di anelli

Costituzione ed origine

Il sistema degli anelli di Saturno è costituito da sette zone: D, C, B, A, F, G, E, dalla più interna alla più esterna (l'ordine alfabetico corrisponde all'ordine con cui sono stati scoperti). Sebbene essi si estendano fino ad oltre 8 raggi di Saturno, i più luminosi sono incredibilmente sottili: il loro spessore, infatti, arriva, al massimo, a 250 m. Gli anelli riflettono la luce solare più del pianeta e contribuiscono, in modo rilevante allo splendore complessivo del sistema, che raddoppia quando gli anelli sono alla massima inclinazione. Le sonde Voyager hanno fatto vedere come gli anelli siano costituiti da una miriade di particelle , formate da ghiaccio d'acqua che recano al loro interno gas o micropolveri (come ossido di ferro) ed in minima parte da corpi che superano i 10 m. Ogni particella ruota attorno al pianeta con un proprio periodo. .

Si pensa che i fenomeni responsabili della formazione degli anelli siano:

1. il residuo del materiale da cui si è condensato il pianeta, in quanto è probabile che durante la sua formazione, data la grande velocità di rotazione, parte del materiale non si sia addensato, restando legato a Saturno grazie alla sua forza gravitazionale;

2. gli anelli si sono formati successivamente, in seguito alla frantumazione di un satellite abbastanza grande (come Mimas), entro il limite di Roche, o per lo scontro con un asteroide o una cometa.

L' ultima ipotesi è la più probabile; infatti la massa totale degli anelli è prossima a quella di Mimas. Non si spiegherebbe altrimenti come mai Saturno abbia lasciato durante la sua formazione una quantità di materiale residuo tanto superiore a quella degli altri pianeti giganti.

Come è noto, Saturno non è il solo pianeta gigante fornito di sistema ad anelli; è strano, però, che sia il solo ad averlo così sviluppato, dato che Giove, ad esempio, ha un sistema satellitare altrettanto sviluppato, ma una fascia di anelli esigua.

I particolari

L'anello D è invisibile da Terra perché, essendo il più vicino al pianeta, è nascosto dalla sua luminosità; esso risulta molto tenue e diffuso ed è totalmente staccato da Saturno. Pare che sia costituito da frammenti ghiacciati, forse prodotti da collisioni tra particelle più grandi, rallentate dall'atmosfera ed ora in orbita stabile.

Il secondo anello, il C, detto anche anello di velo, è esteso, ma poco visibile in quanto le particelle che lo costituiscono riflettono poco la luce che giunge dal Sole. Presenta una struttura complessa; è infatti composto da tanti microanelli indipendenti (struttura simile a quella di un disco microsolco).

La stessa conformazione si rileva anche nell'anello B, che è molto più esteso e vistoso del precedente; le sue particelle sono infatti opache alla luce e la riflettono; inoltre sono interessate da fenomeni periodici: si nota da Terra la creazione di zone scure cuneiformi dirette radialmente (Spokes) che sembrano originate dalla diversa velocità della materia che causerebbe urti con conseguenti variazioni delle posizioni.

Dopo l'anello B si trova una regione che pare priva di particelle, la divisione di Cassini; in realtà un po' di materia è presente, ma riflette poco la luce che riceve. Oltre questa si estende il diffuso e ben visibile anello A, che presenta come gli altri una struttura a microsolco. Al suo interno, si nota una zona, scura, più stretta della divisione di Cassini, dove la densità del materiale è molto bassa, detta divisione di Enke. Si pensa che le due divisioni siano originate da perturbazioni di tipo gravitazionale (fenomeni di risonanza) prodotte dai tre satelliti più interni Mimas, Encelado e Tetide; in particolare una particella che si muove nella divisione di Cassini avrebbe un periodo pari alla metà di quello di Mimas, un terzo di quello di Encelado e un quarto di quello di Tetide.

Grazie alle sonde sono stati scoperti altri anelli. In una zona molto distante si estende l'anello F, non visibile da Terra in quanto è molto sottile. Esso presenta una struttura complessa poiché è "sorvegliato" da due satelliti pastori (Prometeus e Pandora) che influenzano il moto delle particelle, perturbando la loro orbita e causando la formazione di trecce, nodi ed attorcigliamenti. Alcuni ricercatori ritengono che questi agglomerati possano formare anche delle mini lune.
I satelliti pastori sono molto importanti per mantenere gli anelli in posizione di equilibrio.
Un'altra coppia di satelliti pastori sono Epimeteo e Giano già scoperto da Dollfuss nel 1966.

L'anello G, molto distante dal precedente, è molto labile, ma risulta decisamente più regolare ed uniforme degli altri (l'ipotesi è che ci possano essere mini lune nascoste al suo interno).

Ultimo anello è l'E, estremamente esteso e poco visibile, tranne che in una zona, che corrisponde all'orbita del satellite Encelado, dove si nota grande densità di materiale (si pensa che il satellite emetta particelle ghiacciate che arricchiscono il tenue anello).

Il 15 ottobre 1997 è stata lanciata verso Saturno una sonda molto complessa denominata Cassini, che ha esplorato il pianeta ed i satelliti minori e si è posta in orbita attorno ad esso nel luglio 2004. Da essa si è staccato una sonda più piccola, chiamata Huygens, che è scesa sul principale satellite di Saturno, Titano, interessante per le caratteristiche viste in precedenza (atmosfera e similitudine con la Terra primordiale). Per quanto riguarda la Huygens, è equipaggiata con 3 telecamere e un apparato, chiamato Descent Imager Spectral Radiometer (DISR), costituito da 13 strumenti separati. Gli spettrometri del DISR misureranno l'assorbimento dei vari gas nell'atmosfera nel vicino infrarosso, laddove si trovano le bande di assorbimento delle molecole organiche.

La missione si occupa comunque di tutti i corpi presenti nel sistema di Saturno, cercando di raccogliere tutte le informazioni utili per fornire spiegazioni sulla sua origine e stabilità.

Tabella riassuntiva sul Sistema Solare