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Il pianeta Giove

Il pianeta più grande del Sistema Solare è Giove, un gigante gassoso che ha contribuito notevolmente a forgiare il nostro sistema planetario così come lo vediamo oggi. Un pianeta di gas, caratterizzato da bande atmosferiche orizzontali e da tempeste ovali che durano per secoli. Ciò che sappiamo di Giove lo dobbiamo a diverse missioni dedicate al pianeta, e molto verrà scoperto grazie alla attuale missione Juno della NASA

Generalità

Un pianeta dall'atmosfera tumultuosa, dalle potenti aurore polari caratterizzato da un elevatissimo numero di lune ma anche da un tenue sistema di anelli, spesso ignorato. Giove è il pianeta che più di tutti influenza il Sistema Solare.

I numeri di Giove
Il pianeta Giove, con la luna Europa, ripreso il 25 agosto 2020. Crediti M.H. Wong (University of California, Berkeley)/OPAL team
Il pianeta Giove, con la luna Europa, ripreso il 25 agosto 2020. Crediti M.H. Wong (University of California, Berkeley)/OPAL team

 

DATI FISICI
Diametro
  • Equatoriale: 142984 km
  • Polare: 133709 km
Schiacciamento 0.06487
Massa 1,8986*1027
Densità media 1,326*103 kg/m3
Gravità 23,12 m/s2
Velocità di fuga 59.540 m/s
Rotazione siderale 9h 55m 29.685s
Obliquità su eclittica 6,09°
Albedo 0,522
Magnitudine minima -2.808
Temperatura superficiale -145°C (media)
DATI ORBITALI
Perielio 2740.742.598 km
Afelio 816.081.455 km
Eccentricità 0,04839266
Inclinazione su eclittica 1,30530°
Rivoluzione siderale 11,863 anni
Velocità media 13,056 km/s
Rivoluzione sinodica 398,88 giorni
Diametro
  • Max 50,1''
  • Min 29,8''
Satelliti 79

 

Conosciuto fin dall'antichità, fu consacrato attraverso il nome al padre degli dèi, Giove

E' il più grande fra i pianeti del Sistema Solare (volume 1,43128 x 1015 Km3) , il quinto pianeta in ordine di distanza dal Sole . Si tratta di un corpo dalla forma rotondeggiante ma schiacciata ai poli, con un diametro ben undici volte quello terrestre, con una massa 318 volte superiore a quella della Terra. Possiede un’ellitticità elevata, pari a 1:16 tale che la differenza tra diametro equatoriale e diametro da polo a polo si aggira attorno ai 9200 chilometri. Lo stesso Galileo Galilei nel suo Sidereus Nuncius -1610- lo rappresenta come una O depressa ai poli, il che dà indizio di come fosse riuscito ad apprezzarne lo schiacciamento polare. 

Giove inoltre è soggetto a una piccola contrazione, circa un millimetro per anno, sufficiente però a determinare un’emissione di energia , superiore a quella ricevuta dal Sole.Orbita attorno al Sole ad una distanza media di 778 milioni di chilometri, ossia una distanza maggiore di 5,2 volte rispetto alla distanza alla quale orbita il nostro pianeta attorno alla nostra stella , con una velocità media orbitale di 13,06 Km/ sec (circa 50 mila chilometri all’ora). Questa orbita ha inclinazione , rispetto al piano dell'eclittica , di 1,304° ed eccentricità 0,048. Il suo periodo siderale di rivoluzione è pari a 11,86 anni (4332,82 giorni) mentre la lunghezza percorsa in questo lasso di tempo è di 4,888 x109 chilometri. 

Il suo è il giorno più breve fra i pianeti del Sistema Solare (solo alcuni asteroidi hanno una rotazione molto più veloce), ma il periodo di rotazione sul proprio asse, la cui inclinazione è pari a 3°04’, non è fisso poiché Giove non ruota come un corpo solido, essendo gassoso. 

La nascita e la crescita di Giove non devono essere state poi così repentine: il motivo del ritardo, misurato in due milioni di anni, starebbe in collisioni con rocce delle dimensioni di almeno un chilometro, collisioni in grado di generare grandi energie tali da rendere difficile qualsiasi tipo di accrescimento di gas. 
La crescita di Giove sarebbe quindi ricondotta a fasi distinte:

  • inizialmente si sarebbe verificata una crescita rapida di Giove embrionale fino alla formazione del nucleo nel giro di un milione di anni;
  • i rimanenti due milioni di anni sarebbero stati invece dominati da un accrescimento molto più lento di planetesimi ben più grandi, con dimensioni di chilometri. Questi corpi avrebbero colpito Giove in formazione aumentandone il calore, apportando quindi molta più energia che massa;
  • dopo tre milioni di anni Giove dovrebbe quindi aver avuto una massa pari a 50 masse terrestri, con una terza fase dominata dall'accrescimento di gas fino alle 300 masse terrestri che vediamo oggi. 

Il modello, così esposto, sembra sposarsi bene con i dati raccolti da una nuova meteorite la cui composizione, risalente al Sistema Solare primordiale, mostra un sistema diviso in due regioni per più di due milioni di anni. Sarebbe stato quindi Giove a svolgere il ruolo di barriera durante la fase che lo ha fatto crescere da 20 a 50 masse terrestri, fase che avrebbe perturbato il disco di polvere creando una sovra-densità in grado di intrappolare i pebbles al di fuori dell'orbita. Il materiale esterno non si sarebbe quindi potuto unire a quello interno fino alla fine della crescita  di Giove.

Sulla struttura interna di Giove esistono ancora domande aperte: si ritiene che il pianeta possa essere costituito da strati diversi per chimica e fisica, a partire da un nucleo interno per crescere verso un mantello di idrogeno metallico liquido, idrogeno molecolare liquido, elio fino alla atmosfera esterna. Sulla natura del nucleo è aperto un costante dibattito tra chi sostiene un nucleo roccioso e chi lo nega. I risultati della sonda Juno hanno evidenziato comunque un nucleo inspiegabilmente meno denso e più esteso di quanto pensato, il che potrebbe essre spiegato con una collisione gigante avvenuta tra Giove in formazione e un altro corpo celeste circa 4.5 miliardi di anni fa. Giove potrebbe aver iniziato la propria vita come un corpo denso, roccioso o ghiacciato, che in seguito ha acquisito una spessa atmosfera dal disco primordiale di gas e polvere. Per giustificare le osservazioni, il nucleo denso deve essersi mescolato agli strati superiori, perdendo in densità ed espandendosi. Migliaia di simulazioni sono state fatte girare fino a comprendere come una veloce crescita di Giove possa aver disturbato le orbite degli embrioni protoplanetari in fase di formazione. Diversi scenari e angoli di impatto sono stati posti sotto test e in tutti i casi è risultata una probabilità di almeno il 40% per una collisione tra Giove e uno di questi embrioni durante i primi pochissimi milioni di anni. Il corpo impattante, denso e ricco di energia, avrebbe agito come un proiettile nell'atmosfera gioviana fino a colpire il nucleo. Il risultato sarebbe un nucleo più diluito. L'unico scenario possibile, per dimensione e angolo di impatto, vede tuttavia un embrione di dieci masse terrestri e una angolazione molto diversa dal passaggio radente. Il materiale più pesante impiegherebbe diversi miliardi di anni per sprofondare di nuovo verso il centro del pianeta e proprio questo renderebbe possibile il nucleo "scoperto" dalla sonda Juno (The formation of Jupiter's diluted core by a giant impact, Nature - 2019).

Effetti dell'impatto sul nucleo del giovane Giove. Crediti Shang-Fei Liu/Sun Yat-sen University
Effetti dell'impatto sul nucleo del giovane Giove. Crediti Shang-Fei Liu/Sun Yat-sen University

 

Ultimo aggiornamento del: 17/09/2020 21:35:13

Atmosfera di Giove

Un pianeta gassoso la cui atmosfera non finisce di stupire, tra cicloni polari, vortici secolari e bande che scompaiono periodicamente. Dalla sonda Galileo alle osservazioni terrestri fino alla sonda Juno, Giove non ha mai smesso di sorprendere

Primo piano di vorticose nuvole intorno a Giove Grande Macchia Rossa ottenuto da immagini della Voyager 1. Crediti: NASA/JPL
Primo piano di vorticose nuvole intorno a Giove Grande Macchia Rossa ottenuto da immagini della Voyager 1. Crediti: NASA/JPL

E' stato detto come affermare un valore fisso, determinato del periodo di rotazione siderale del pianeta non sia del tutto corretto: il valore in questione, 9,92 ore, sarebbe frutto di una media tra le diverse velocità di rotazione delle sue "parti". Per chiarire questa affermazione è necessario parlare della sua costituzione, a partire dall’atmosfera

L’atmosfera di Giove risultò già dalle prime analisi composta per l’88% da idrogeno molecolare (H2) e per circa l’11% da elio (He)  e, in quantità minori, da altre sostanze quali ammoniaca, zolfo, idrogenosolfuro di ammonio, metano. A tutt’oggi queste stime restano valide. In particolare la prima identificazione del metano e dell'ammoniaca nell’atmosfera gioviana si deve a R. Wildt, nel 1932: come conseguenza si poté stimare come fosse l’idrogeno a costituire gran parte dell’atmosfera. 

Verticalmente, l'atmosfera di Giove è scomponibile in quattro differenti strati in ordine crescente di altitudine dal nucleo (gli strati partono a iniziare dalla fine della zona interna liquida) quali troposfera, stratosfera, termosfera e esosfera.

Struttura verticale dell'atmosfera di Giove. Crediti Ruslik on Wikipedia
Struttura verticale dell'atmosfera di Giove. Crediti Ruslik on Wikipedia

Tra i maggiori misteri della planetologia vi è la temperatura elevata dei giganti gassosi negli strati più alti dell'atmosfera, un fenomeno che si verifica anche sulla Terra ma che per noi è giustificabile con il calore ricevuto dal Sole. I pianeti gassosi sono più distanti e non ricevono la stessa quantità di radiazione . Una possibile spiegazione può venire dalla sonda Cassini - precisamente dai dati ottenuti durante il Grand Finale - per quanto riguarda il sistema Saturno (ma il discorso può essere esteso anche agli altri pianeti, come Giove) e si concentra sulle attività aurorali dei poli, attività elettriche innescate dall'interazione tra vento solare e particelle cariche provenienti dalle lune, e deriva dalla più precisa e completa mappa di temperatura e densità degli strati superiori atmosferici del pianeta. Il sistema globale dei venti può distribuire l'energia sviluppata dalle aurore nei pressi dei poli, scaldando il tutto a una temperatura due volte superiore a quella attesa. Per arrivare al risultato, la sonda Cassini ha fornito i dati del passaggio delle stelle di background che passavano attraverso l'atmosfera alta di Cassini, analizzandone la luce. Dalla densità dell'atmosfera è stata poi ottenuta la temperatura: la densità decresce con l'altitudine e il tasso di caduta dipende dalla temperatura, la quale ha un picco nei pressi delle aurore a indicare la sorgente del calore (Z. Brown et al, A pole-to-pole pressure–temperature map of Saturn's thermosphere from Cassini Grand Finale data, Nature Astronomy - 2020). 

La superficie di Giove si suddivide in strutture parallele all'equatore chiamate bande e zone, con le bande - scure e più basse - e le zone - chiare e più alte. La zona equatoriale si estende a cavallo tra le latitudini 7°N e 7°S ed è perimetrata dalle bande equatoriali, Nord (NEB - North Equatorial Band) e Sud (SEB - South Equatorial Band) estese fino a latitudini 18° Nord e Sud rispettivamente. Bande e zone si alternano apparentemente fino alle regioni polari, a circa 50° di latitudine, ma più probabilmente continuano a farlo anche a latitudini maggiori. Quella che potremmo indicare come la "superficie" atmosferica è quindi caratterizzata da striature, un sistema di zone e bande che rendono il pianeta caratteristico. La più vistosa tra queste, in generale, è la fascia equatoriale nord, al contrario della fascia equatoriale sud che spesso appare doppia e talvolta più scura e a volte, addirittura, sparisce alla vista sprofondando negli strati più bassi. Le nubi superiori, quelle delle zone, sono cirri di ammoniaca che alla vista appaiono come chiare, a differenza delle bande scure che sono dovute a strati di nubi più bassi costituite da idrogenosolfuro di ammonio. 

I confini tra bande e fasce sono segnati da jet streams opposti: jet streams retrogradi (da est a ovest) segnano il confine tra zone e bande mentre quelli progradi (da ovest a est) svolgono lo stesso ruolo tra bande e zone. Nelle zone i venti anticiclonici sono meno intensi rispetto a quelli ciclonici delle bande, con picchi di cento metri al secondo. 

Le bande di Giove si estendono per migliaia di chilometri sotto la superficie del pianeta: la loro natura di flusso di aria è nota oramai da tempo ma soltanto a Ottobre 2017 si è potuto fornire una stima della profondità di simili strutture (18 ottobre, Weizmann Institute of Sciences, Israele) a partire dai dati di Juno sul campo gravitazionale del pianeta. Maggiori sono le forze magnetiche e più, si pensa, il gas si spinge in profondità il che è fondamentale anche per scoprire se l'interno di Giove stia ruotando come un singolo corpo solido oppure presenti una sorta di matrioska, strati separati in rotazione differente in base alla profondità raggiunta da ciascuno di essi. Il materiale, secondo il segnale captato, dovrebbe portare a un flusso profondo almeno 3000 chilometri. Le onde radio consentono di studiare il campo gravitazionale del pianeta tramite l'effetto Doppler che si registra in base alla attrazione, più o meno forte, esercitata dal pianeta sulla sonda (in tal caso Juno della NASA): gli spostamenti delle lunghezze d'onda, anche se piccoli, indicano il campo gravitazionale del pianeta. La profondità delle fasce deriva dalle perturbazioni gravitazionali che i forti venti delle stesse provocano. Giove è una palla di gas e le uniche anomalie dovrebbero essere quelle indotte dalla rotazione e dal conseguente schiacciamento polare, invece esiste uno sbilanciamento gravitazionale notevole tra i due emisferi e questo sbilanciamento è legato ai flussi dei venti. Proprio gli spostamenti hanno consentito di misurare la profondità di 3000 chilometri e di comprendere come i flussi stessi possano variare al variare della profondità. In tutto, l'alta atmosfera di Giove rappresenta l'1% della massa totale (sulla Terra la quantità è di un milionesimo appena), pari a tre masse terrestri che si muovono a decine di metri al secondo. Al di sotto dell'atmosfera, i gas dovrebbero ruotare come un corpo unico, come un solido, mentre per il nucleo il discorso resta ancora aperto. Oltre i tremila chilometri i jet stream vengono soppressi dalla magnetizzazione del pianeta. Flussi simili, sulla Terra, vanno a modellare il clima soprattutto a medie latitudini come quelle Australiane e Nord Americane, fungendo da barriera che rende più complesso lo scambio di proprietà tra correnti atmosferiche. Sulla Terra i getti sono ondulati e irregolari mentre su Giove si presentano decisamente dritti visto che mancano continenti e montagne in grado di ostruirne il percorso. 

La dinamica atmosfera di Giove in una animazione a partire dalle immagini della sonda Galileo. Crediti NASA/JPL/University of Arizona
La dinamica atmosfera di Giove in una animazione a partire dalle immagini della sonda Galileo. Crediti NASA/JPL/University of Arizona

Esistono differenti patterns nei due emisferi il che suggerisce un flusso asimmetrico nelle profondità del pianeta, qualcosa che non ci si aspettava. Le regioni equatoriali di Saturno, Giove e Terra presentano delle caratteristiche inaspettatamente uguali: patterns verticali, ciclici e retrogradi di sistemi di vento e temperature, con ciclicità di diversi anni. Si tratta di fenomeni chiamati Quasi-Periodic Oscillation (QPO) su Saturno e Quasi-Quadrennial Oscillation (QQO) su Giove, come risposta ai Quasi-Biennial Oscillation (QBO) della Terra. Da noi il fenomeno è prevedibile, ripetendosi ogni 28 mesi di media, ma può essere disturbato da eventi che si verificano a grande distanza dall'equatore . Il getto terrestre fu scoperto dopo l'osservazione dei detriti sparati dall'eruzione del Krakatoa nel 1883, quando i resti del vulcano venivano trasportati verso ovest mentre palloni meteorologici testimoniarono, di lì a poco, venti verso est. La fase del QBO sembra influenzare il trasporto di ozono, vapore acqueo e inquinamento nell'alta atmosfera, così come la produzione di uragani. La stessa cosa può verificarsi su Saturno e su Giove. Le oscillazioni possono essere paragonate a un cuore che batte nel pianeta e sono state osservate su Saturno circa un decennio fa, dalla sonda Cassini, mentre per quanto riguarda Giove le osservazioni sono state effettuate direttamente da Terra. Su Giove, il jet si estende fino ad altezze elevate nella stratosfera. Dal momento che le misurazioni coprono una ampia area del pianeta i ricercatori hanno potuto eliminare diverse tipologie di onde atmosferiche dai contributi alla QQO, lasciando le onde di gravità come leader nel processo. Queste onde si producono per convezione nella bassa atmosfera e viaggiano in alto fino alla stratosfera, dove forzano il cambiamento di direzione. Le simulazioni mostrano, però, come la forza di questo effetto non sia talmente grande da giustificare, da sola, tutto ciò che accade.

Proprio per la stratosfera è stato possibile determinare la velocità dei venti solo a inizio 2021, tramite i dati di ALMA, rilevando venti incredibilmente potenti che soffiano fino a 1450 chilometri orari nei pressi dei poli. Si tratta di una misurazione che non può prendere in esame il tracciamento delle nubi visto che sono assenti in questa zona atmosferica e così l'alternativa è ricaduta su un evento legato all'impatto della cometa  Shoemaker-Leavy 9, avvenuto nel 1994 e in grado di produrre nuove molecole nella stratosfera. Tracciando queste molecole è stato possibile risalire alla velocità indicata, la quale raggiunge il picco ai piedi delle aurore polari. Si aggiunge quindi una nuova conoscenza a quella già acquisita riguardante l'elevata velocità dell'atmosfera più alta, mentre viene confermata anche l'esistenza di venti stratosferici molto potenti intorno all'equatore del pianeta, laddove la misurazione porta a 600 chilometri orari ("First direct measurement of auroral and equatorial jets in the stratosphere of JupiterAstronomy & Astrophysics (2021).

Come accennato, la banda equatoriale sud (SEB - South Equatorial Band) del pianeta ogni tanto si nasconde. Ad esempio, nel 2009 Giove è andato in congiunzione eliaca con due bande atmosferiche ben evidenti e ne è uscito nel 2010 con una sola. La cintura sud-equatoriale, quella dove ha sede la Macchia Rossa, è scomparsa dal pianeta gassoso, sebbene la Macchia Rossa stessa sia rimasta ben visibile. 

Giove con e senza South Equatorial Band. Crediti Anthony Wesley
Giove con e senza South Equatorial Band. Crediti Anthony Wesley

Giove non è nuovo a questi colpi di scena: nel 1973, come registrò la sonda Pioneer 10, la cintura sparì per la prima volta da quando le osservazioni consentissero di rendersene conto. Anche ai primi anni Novanta la stessa cintura cessò di mostrarsi mentre in altre occasioni si è dotata di un colore più intenso. La dinamica, quindi, sembra nota: dopo qualche settimana di latitanza si forma una macchia bianca brillante dalla quale iniziano a fuoriuscire grumi scuri di materiale che, in seguito, vengono allungati dalla rotazione del pianeta fino a formare una nuova cintura. Una possibile motivazione è data dal raffreddamento delle nubi che formano la cintura: le correnti più fredde sprofonderebbero nell'atmosfera più calda del pianeta per poi riemergere in seguito dopo un successivo riscaldamento.

La sonda Juno è riuscita a immortalare una "brown barge", una regione ciclonica allungata che solitamente si presenta nella banda equatoriale nord e saltuariamente anche in quella sud. Si tratta di strutture difficilmente osservabili poiché confondibili con lo sfondo molto simile ma a volte le condizioni sono più favorevoli. In genere queste strutture si dissipano in seguito alla riorganizzazione dell'intera banda equatoriale e quella di Juno è la prima osservazione di dettaglio del fenomeno.

Brown Barge ripresa dalla JunoCam il 6 settembre 2018 da 11.950 chilometri di altitudine, latitudine 22°. Crediti NASA/Juno
Brown Barge ripresa dalla JunoCam il 6 settembre 2018 da 11.950 chilometri di altitudine, latitudine 22°. Crediti NASA/Juno

Lo Jupiter Energetic particle Detector (Jedi) ha invece evidenziato una zona di radiazione finora rimasta ignota: sopra l'atmosfera di Giove ci sarebbe unoo strato di ioni di idrogeno, ossigeno e zolfo in movimento a velocità relativistiche, derivanti probabilmente da particelle neutre create intorno a Io e Europa. 

Tempeste e fulmini

Giove presenta temporali simili a quelli terrestri, evidenti come nuvole luminose di circa mille chilometri che sporadicamente si accendono nelle regioni cicloniche (bande). Si tratta di fenomeni che al massimo durano pochi mesi a fronte di una media che li vede spegnersi in tre o quattro giorni. Alla base della loro origine dovrebbe essere la convezione che trasporta verso l'alto l'aria umida della troposfera determinandone la condensazione in nuvole. Immagini in infrarosso ottenute da Terra dal Gemini Telescope hanno evidenziato come i grandi sistemi di tempeste abbiano origine all'interno e intorno a grandi celle convettive sopra profonde nuvole di acqua ghiacciata e liquida (Michael H. Wong et al, High-resolution UV/Optical/IR Imaging of Jupiter in 2016–2019The Astrophysical Journal Supplement Series - 2020). 

Torri convettive nell'atmosfera gioviana con le diverse zone osservate da Juno, HST e Gemini. Credito: NASA, ESA, MH Wong (UC Berkeley) e A. James e MW Carruthers (STScI)
Torri convettive nell'atmosfera gioviana con le diverse zone osservate da Juno, HST e Gemini. Credito: NASA, ESA, MH Wong (UC Berkeley) e A. James e MW Carruthers (STScI)

L'illustrazione in alto evidenzia fulmini, torri convettive, nubi d'acqua in basso e zone limpide sulla base dei dati di Juno, Hubble Space Telescope e Gemini Observatory. Juno rintraccia segnali radio generati da scariche elettriche. Le onde radio possono passare attraverso tutti gli strati atmosferici di Giove, quindi Juno riesce a osservare fulmini nelle nubi basse così come fulmini nella zona diurna del pianeta. Hubble Space Telescope osserva la luce solare riflessa dalle nubi atmosferiche gioviane. Diverse lunghezze d'onda penetrano a differenti profondità nelle nuvole, donando ai ricercatori la possibilità di determinare il peso relativo degli strati. Gemini Observatory mappa lo spessore delle nubi fredde che bloccano la radiazione infrarossa proveniente dagli strati caldi più bassi. Queste nubi appaiono scure nelle mappe a infrarosso mentre appaiono brillanti in altro spettro. La combinazione delle osservazioni consente di mappare l'intera struttura in tre dimensioni e inferire dettagli circa la circolazione atmosferica. Le torri si formano laddove l'aria sale mentre le zone chiare si formano dove l'aria scende.

Dove ci sono tempeste, in generale si rinvengono anche dei fulmini, immortalati dalle sonde Voyager 1, Galileo e Cassini già diversi anni fa, a partire dal 1979. Si tratta di fenomeni molto potenti rispetto a quelli terrestri, ma meno frequenti e soprattutto differenti per i segnali radio associati rispetto a quanto lecito attendersi come corrispondenza con i fulmini nostrani.  Trattandosi di trasmettitori radio, i fulmini emettono onde radio attraversando il cielo ma le registrazioni non sono mai andate oltre segnali nel visibile o nell'intervallo radio dei kilohertz. Juno invece, in appena otto passaggi, ha registrato ben 377 fulmini nella frequenza attesa. Contrariamente a quanto avviene sulla Terra, inoltre, la maggiore attività si registra nelle zone polari anziché ai tropici: i fulmini seguono il calore e, mentre sulla Terra la zona più favorevole è proprio quella tropicale, su Giove il calore è venticinque volte inferiore a quello ricevuto dal nostro pianeta e sebbene anche qui la zona tropicale sia la più calda, non lo è abbastanza da creare instabilità atmosferiche. I poli vedono una atmosfera meno stabile e questo consente ai gas caldi di entrare, salire e favorire convezione e fulmini (Nature - “Prevalent lightning sferics at 600 megahertz near Jupiter’s poles“ - Shannon Brown et al.). Sulla Terra, le tempeste derivano dalla dinamica di masse acquose che generano fenomeni elettrici in regioni in cui l'acqua esiste nei suoi tre diversi stati, il che su Giove si verifica tra 45 e 65 chilometri di profondità rispetto alle nubi più esterne, laddove la temperatura è prossima allo zero e la composizione riguarda idrogeno (88%) e elio (11%) più metano, ammoniaca, acqua. I fulmini osservati da Juno, tuttavia, sono più deboli flash provenienti dalla bassa atmosfera gioviana, laddove la temperatura è inferiore a -66°C e lo stato liquido non può esistere. Se le tempeste sono abbastanza potenti, le goccioline di acqua vengono portate nelle zone più alte dell'atmosfera e proprio la loro collisione fornisce il trigger per i fulmini. In particolare, i cristalli di aqua interagiscono con il gas di ammoniaca, un antigelo che trasforma il ghiaccio di acqua in acqua liquida. I cristalli di ghiaccio vengono spinti nella zona alta atmosferica e si fondono con questi gas dando vita a un mix di grandine di ammoniaca esotica (mushballs): i chicchi più pesanti precipitano fino a evaporare, consentendo a acqua e ammoniaca di scendere anche in profondità. La quantità di ammoniaca sembra funzione della latitudine, con concentrazioni variabili all'equatore e scarse in zone di alta pressione (Nature - “Small lightning flashes indicating shallow electrical storms” - H. N. Becker et al.).

ulmini superficiali e grandine di ammoniaca su Giove. Crediti: Nasa/Jpl-Caltech/Swri/Cnrs
ulmini superficiali e grandine di ammoniaca su Giove. Crediti: Nasa/Jpl-Caltech/Swri/Cnrs

Sprites in alta atmosfera

I dati della sonda Juno hanno consentito di dedurre la presenza di sprites nell'atmosfera superiore del pianeta: luminosi lampi estremamente brevi che per la prima volta potrebbero essere stati osservati su un altro mondo. La loro presenza era già stata teorizzata ma la striscia luminosa in ultravioletto osservata nei dati di Juno in estate 2019  tramite lo spettrografo UVS sembra la conferma.  Gli "sprites" sono Eventi Transitori Luminosi (TLE) e il nomignolo deriva da un personaggio folkoristico inglese: il fenomeno si verifica fino a 100 chilometri sopra i temporali più intensi ma durano pochissimi millisecondi. Presentano una macchia luminosa centrale (che sulla Terra va da 24 a 48 chilometri) con lunghe code estese verso l'alto e verso il basso. Gli "elfi" (Emission of Light and Very Low Frequency perturbations due to Electromagnetic Pulse Sources - Elves) sono invece dei dischi appiattiti che brillano nell'alta atmosfera terrestre, anch'essi di millisecondi di durata ma tendenti a divenire più grandi, fino a 230 chilometri di diametro sul nostro pianeta. Se sulla Terra la presenza di ozono determina un colore rossastro per questi eventi, l'idrogeno di Giove donerebbe un colore rosa o blu. UVS ha catturato undici eventi che potrebbero essere riconducibili a sprites o elfi, fino a 300 chilometri di altitudine il che fa scartare la natura di giganteschi fulmini (Rohini S. Giles et al. Possible Transient Luminous Events observed in Jupiter's upper atmosphereJournal of Geophysical Research: Planets - 2020).

Rappresentazione dei dati di Juno del 10 aprile 2019. Credit: NASA/JPL-Caltech/SwRI
Rappresentazione dei dati di Juno del 10 aprile 2019. Credit: NASA/JPL-Caltech/SwRI

La presenza di acqua

Giove in Infrarosso ripreso dalla sonda Juno. Crediti NASA
Giove in Infrarosso ripreso dalla sonda Juno. Crediti NASA

La presenza di acqua (intesa come componenti, idrogeno e ossigeno, e non come acqua liquida) nelle profondità di Giove è un fattore cruciale per la comprensione della formazione dell'intero Sistema Solare e per questo molte ricerche vertono sul tentativo di fornire una risposta a questa domanda aperta. Giove dovrebbe essere il primo pianeta ad essersi formato "sifonando" gli elementi lasciati dalla formazione del Sole e la teoria più accreditata vede il gigante gassoso con la stessa composizione chimica del Sole: una palla di idrogeno con tracce di elio, senza un nucleo. I dati però sembrano propendere per un nucleo pari a dieci masse terrestri unitamente a presenza di acqua e di fenomeni atmosferici come fulmini e tuoni. Qualcosa di sostanzialmente diverso dal Sole, quindi. I dintorni di Giove sono densi di acqua come dimostrano le lune maggiori e anche questo lascia propendere per una presenza di acqua anche su Giove. La sonda Galileo -analizzando fino a 120 chilometri di profondità - non trovò alcuna tracccia di acqua. I segnali captati successivamente da telescopi terrestri come il Keck - invece - ne hanno rinvenuto la firma chimica nella luce proveniente dalle nubi più basse dell'atmosfera gioviana e il dato, unitamente alla misurazione effettuata sul monossido di carbonio, mostra come Giove sia in possesso di una quantità di ossigeno superiore a quella del Sole in misura compresa tra 2 e 9 volte. Una conferma alle osservazioni del Keck e una netta smentita - anche se poi rivista - a quelle della Galileo giunge dalla sonda Juno in orbita intorno a Giove (The water abundance in Jupiter’s equatorial zone, Nature Astronomy, febbraio 2020): la zona equatoriale di Giove conterrebbe acqua in misura dello 0.25% delle molecole presenti in atmosfera. Sebbene sia un valore da confrontare con altre zone, e quindi sia necessario attendere ulteriori fly-by, appare probabile come la sonda Galileo  possa aver campionato l'atmosfera in una regione decisamente arida, come se una sonda aliena venisse a campionare la Terra in un deserto e derivandone l'assenza totale di acqua. Eppure un ulteriore sly-by di Juno mostra come la sonda Galileo non sia stata particolarmente sfortunata nel campionamento, visto che la zona arida sembra molto più estesa di quanto atteso: i dati di Galileo del 7 dicembre 1995 (57 minuti e 36 secondi di informazioni) hanno trovato conferma dallo strumento a microonde di Juno, che mostrano una fascia equatoriale settentrionale decisamente molto secca. Gli hot-spot potrebbero quindi non essere isolati ma abbracciare una vasta regione atmosferica in associazione a interruzioni nelle nuvole del pianeta, il che fornirebbe uno sguardo più profondo nell'atmosfera più bassa di Giove. Questi punti caldi, fiancheggiati da nuvole e tempeste attive, alimentano scariche elettriche ad alta quota (fulmini superficiali) che si verificano nelle parti fredde e alte dell'atmosfera di Giove quando l'ammoniaca si mescola all'acqua. 

 

 

La temperatura dello strato più esterno delle nubi è di circa -150°, ed aumenta gradualmente immergendosi negli strati più profondi, arrivando fino a valori di 30°. 

 

La fascia equatoriale ha una rotazione più breve di quella del resto del pianeta. Convenzionalmente, quello che viene denominato Sistema I si riferisce alla regione compresa tra il margine nord della fascia equatoriale sud ed il margine sud della fascia equatoriale nord. Il periodo di rotazione media di questo sistema è di 9 ore 50 minuti 30 secondi. Il Sistema II comprende le restanti regioni del pianeta, con un periodo di rotazione di 9 ore 55 minuti e 41 secondi.

La Grande Macchia Rossa

In entrambe le strutture sono presenti singole formazioni che fanno registrare periodi diversi. Ad esempio, quello della Grande Macchia Rossa (GRS - Great Red Spot), è mediamente di 9 ore 55 minuti e 37 secondi. Gian Domenico Cassini fu il primo astronomo a rendersi conto di come il Sistema I sia in possesso di una rotazione più rapida rispetto al Sistema II: era il 1690.  Nell’approfondire gli studi condotti da Francesco Fontana nel 1646, che lo condussero alla prima osservazione di dettagli del disco (le bande più estese che lo attraversano), Cassini nel 1665 riuscì a confermare anche la formazione osservata l’anno prima da Robert Hooke riferendo di questa come “eccezionalmente cospicua e permanente”: si trattava della Grande Macchia rossa

La Grande Macchia Rossa in alta definizione dalla sonda Juno. Crediti Juno/NASA
La Grande Macchia Rossa in alta definizione dalla sonda Juno. Crediti Juno/NASA

E’ la struttura osservabile più famosa su Giove. Un tempo si pensava potesse trattarsi di un corpo solido o tendente a questo stato, che galleggiava nel gas atmosferico, ma oggi la sua natura di fenòmeno meteorologico è attestata. Si tratta di un vortice dalle dimensioni eccezionali, che giustificherebbero la sua longevità, con un periodo di 12 giorni al suo margine esterno, e di 9 giorni più internamente. Il centro si trova a circa 8 Km al di sopra delle nubi adiacenti e qui la macchia risulta più fredda. Anche se la latitudine di questa grande tempesta varia di poco (solitamente si aggira alla latitudine di -22°), il moto principale avviene in longitudine , tanto da dover inserire questo valore come parametro per il calcolo della visibilità della struttura stessa. Cassini, come già accennato, riuscì a determinare in modo preciso il periodo di rotazione della formazione: 9 ore e 56 minuti, constando una differenza con le strutture presenti nella banda equatoriale per le quali stimò un periodo di rotazione leggermente inferiore (9 ore e 51 minuti). A caratterizzarla ulteriormente è la colorazione rossastra, dovuta al fosforo prodotto dall’azione solare sul fosfuro di idrogeno, noto anche come fosfina, che risale dall’interno del pianeta attraverso la perturbazione. 

Radiazione dalla Grande Macchia Rossa. Credit: Karen Teramura, UH IfA with James O'Donoghue and Luke Moore
Radiazione dalla Grande Macchia Rossa.
Credit: K.Teramura, UH IfA with J.O'Donoghue, L. Moore

Mediante lo studio di Giove nelle lunghezze d'onda dell'infrarosso è stato possibile collegare un eccesso di temperatura locale nell'atmosfera gioviana proprio alla Grande Macchia Rossa. In particolare ci si è accorti di come le più alte temperature corrispondessero proprio alla posizione dell'uragano. Una volta esclusa la coincidenza, si è potuto stabilire come la mega tempesta sia un'eccezionale fonte di energia in grado di riscaldare gli strati molto alti dell'atmosfera di Giove, una spiegazione già teorizzata in passato ma mai effettivamente riscontrata attraverso osservazioni (Heating of Jupiter's upper-atmosphere above the Great Red SpotNature). 

I dati di Juno mostrano come la Grande Macchia Rossa, oltre ad essere grande sebbene in fase di restringimento, potrebbe essere davvero molto profonda, fino a toccare i 300 chilometri all'interno del pianeta. I dati sono quelli del MicroWave Radiometer (Mwr) a bordo di Juno e si riferiscono al passaggio effettuato a Luglio 2017 proprio sopra la Macchia. In realtà la stima è abbastanza incerta visto che si parla di una profondità che va da 5 a 100 volte quella degli oceani terrestri, con temperature più calde negli strati più bassi. Come accennato, invece, nell'ultimo secolo e mezzo la Grande Macchia Rossa si sta riducendo in maniera lenta ma inesorabile anche se la storia ci dice che a volte il trend si è invertito. Questo è successo almeno una volta: infatti, dai dati dei primi osservatori unitamente a quelli ottenuti dalle sonde NASA in particolare, la Grande Macchia avrebbe invertito il trend aumentando le proprie dimensioni per un periodo di tempo. La dimensione, a oggi, può essere in grado di accogliere un "solo" pianeta come il nostro, non più i tre o i due di un tempo, ma negli anni Venti la Macchia ha conosciuto un periodo di espansione da quel che emerge dal confronto di osservazioni passate. Il restringimento avrebbe dovuto causare una maggior velocità dei venti interni ma in realtà ha causato un innalzamento dell'atmosfera interna, piccolo ma comunque misurabile. La Macchia - quindi - si sta elevando rispetto alla superficie media di Giove. Lo studio del Goddard Space Flight Center (2018) ha riguardato dimensioni ma anche forma, colore e spostamenti in longitudine, nonché velocità dei venti interni. Anche il colore è divenuto più intenso, soprattutto dal 2014 in poi, e questo potrebbe essere spiegato con la maggior radiazione solare UV che giunge ad altezze maggiori. Proprio in base ai dati sembra che recentemente la Macchia abbia iniziato a spostarsi verso ovest più velocemente di quanto non abbia fatto finora. 

Immagini che riprendono lo sfaldamento della Grande Macchia Rossa nella primavera del 2019. Crediti Chris Go
Immagini che riprendono lo sfaldamento della Grande Macchia Rossa nella primavera del 2019. Crediti Chris Go

Il restringimento e lo sfaldamento della Macchia hanno allarmato la comunità scientifica in merito alla possibilità di vedere la Grande Macchia dissolversi lentamente ma gli studi più recenti testimoniano come la Grande Macchia Rossa non stia morendo: durante la primavera del 2019 in molti hanno fotografato dettagliatamente la struttura, fornendo testimonianza di come parti rosse siano in fase di espulsione dalla famosa tempesta gioviana, tuttavia non esistono prove riguardanti variazioni di dimensione né di intensità (DFD2019 Seattle). Ciò che si vede, quindi è solo una parte di ciò che in realtà alimenta e sostiene la Grande Macchia Rossa, una parte peraltro abbastanza normale visto che fenomeni di sfaldamento sono uno stato naturale per un vortice con copertura nuvolosa. La perdita di "fiocchi" può essere legata all'urto con nuvole di passaggio, ma non altera lo stato di salute della Grande Macchia Rossa, il quale dipende maggiormente dagli strati più bassi. La stessa rassicurazione proviene da stime della sua profondità. Non si tratta di una osservazione semplice, anzi, non si tratta proprio di una osservazione ma di un test di laboratorio che dovrebbe aver ricreato la situazione gioviana. L'atmosfera di Giove è influenzata dallla rotazione del pianeta e dagli strati atmosferici di diversa densità, fattori che si esprimono tramite la forza apparente di Coriolis e tramite la spinta di Archimede. Queste due forze consentono di creare strutture longeve come la Grande Macchia Rossa, ma esistono altre forze indotte dalle bande atmosferiche e che aggiungono uno "sforzo di taglio". Sono proprio queste le forze che sono state simulate, giungendo alla conclusione per la quale nonostante le variazioni morfologiche orizzontali che possiamo apprezzare la Grande Macchia Rossa non è mutata nel piano verticale (Nature Physics - “Remote determination of the shape of Jupiter’s vortices from laboratory experiments” - Daphné Lemasquerier et al.). Una ennesima conferma riguardo lo stato di salute della Macchia giunge a inizio 2021, quando un articolo analizza le fasi di inglobamento di cicloni più piccoli (dapprima imputati di provocare la riduzione) mostrando come questo processo vada a determinare esclusivamente una alterazione superficiale: varia lievemente il tempo di oscillazione in longitudine ma il grosso dell'energia viene dal basso (Journal of Geophysical Research: Planets - “Jupiter’s Great Red Spot: strong interactions with incoming anticyclones in 2019”  - A. Sánchez‐Lavega et al.)

Ancora i dati del Gemini Telescope è stato possibile verificare come laddove Hubble evidenziava un semicerchio scuro nella Grande Macchia Rossa, in infrarosso appaia invece un arco luminoso proveniente dal calore interno di Giove e bloccato (non in infrarosso) dalle nuvole più spesse. Si tratta quindi di lacune nella copertura nuvolosa, eliminando ogni ipotesi di variazione di colore nelle nuvole.

I dati del 2021 indicano come la Macchia stia diventando sempre più circolare, con venti esterni molto più veloci rispetto a quelli interni (come già noto) e sempre più veloci. Un diametro di 16 mila chilometri con venti che soffiano a velocità superiori ai 640 km/h con un aumento nelle zone periferiche pari all'8% dal 2009 al 2020, corrispondente a meno di 3 km/h ogni anno terrestre. Si tratta di una variazione misurabile soltanto grazie alla presenza e alla longevità di HST (Geophysical Research Letters - “Evolution of the Horizontal Winds in Jupiter’s Great Red Spot From One Jovian Year of HST/WFC3 Maps” - Michael H. Wong).

La Grande Macchia Rossa sarà uno degli obiettivi di studio del nuovo James Webb Telescope (JWT) e la enorme sensibilità infrarossa andrà a completare quanto finora osservato da Hubble Space Telescope (HST). MIRI (Mid-InfraRed Instrument) avrà il compito di creare una mappa a diverse lunghezze d'onda della Macchia analizzandola dal punto di vista termico, chimico e strutturale al fine di comprendere al meglio l'origine del colore e i moti interni. Si tenterà di fornire una spiegazione all'elevata temperatura presente in zona, attribuita più di recente alle onde di gravità e alle onde sonore prodotte dalla tempesta.

Cicloni polari

A sorprendere gli astronomi hanno pensato anche gli ammassi di cicloni polari su Giove, scoperti proprio grazie alla visita di Juno alle regioni polari del pianeta (Clusters of cyclones encircling Jupiter’s poles - Nature (A. Adriani, A. Mura, G. Orton, C. Hansen, F. Altieri). Intorno ai poli di Giove sono stati infatti osservati enormi cicloni dal diametro di migliaia di chilometri (fino a seimila chilometri), come appare evidente nelle immagini ottenute dalla sonda Juno della NASA tramite lo strumento Jiram (Jovian InfraRed Auroral Mapper). Due cicloni in particolare si trovano in prossimità stazionaria di ciascun polo, con una corona di venti. Il ciclone maggiore della parte Nord è stato osservato contornato da otto cicloni satellite, mentre il corrispettivo nella parte Sud ha presentato alle osservazioni cinque cicloni minori. I venti all'interno raggiungono velocità tra 150 e 350 chilometri orari. Si tratta di strutture tanto stabili da respingere persino l'avanzata di altri cicloni che, da latitudini minori, cercano di risalire verso i poli. I modelli sostengono l'instabilità di strutture di questo tipo e la risposta potrebbe risiedere proprio nei cristalli che si creano quando piccoli vortici prendono vita, anche sulla Terra. 

Cicloni polari al Polo Nord di Giove. credit: NASA / JPL-Caltech / SwRI / ASI / INAF / JIRAM.
Cicloni polari al Polo Nord di Giove. credit: NASA / JPL-Caltech / SwRI / ASI / INAF / JIRAM.

 

Lo strumento Jiram (Jovian InfraRed Auroral Mapper) a bordo della sonda Juno ha spiato da vicino cicloni e anticicloni ai poli di Giove e dai dati è stata estrapolata una sequenza tridimensionale in grado di farci "sorvolare" la zona in infrarosso scendendo fino a una profondità di 70 chilometri. Le aree in giallo sono le più calde (più basse), con temperature intorno ai 260 K (-13°C) che si abbassano fino a 190K (-83°C).

 

 

Un ciclone centrale perimetrato da vari cicloni più piccoli, senza una fusione che possa portare a una struttura simile - ad esempio - alle tempeste polari di Saturno: si tratta di una configurazione molto particolare che ha richiesto diversi studi per poter essere analizzata a dovere. Intanto, i cicloni di Giove sono molto simili a quelli terrestri ma in scala notevolmente esasperata, eppure sulla Terra questi cicloni si infrangono quasi sempre sulle coste orientali degli Stati Uniti e non si trovano ai poli. Il motivo è dato dalla presenza di terre emerse sul nostro pianeta e dall'esaurimento di acqua calda da parte dei cicloni. Incontrare la terraferma genera un maggiore attrito, una minore disponibilità di acqua calda e il ciclone si spegne prima di giungere ai poli. Su Giove questo non accade, per assenza di terre emerse, e i cicloni sono liberi di migrare verso i poli. A destare stupore è comunque la forma che i cicloni compongono e per spiegarla si è fatto ricorso a un lavoro matematico del 1878 a firma di Alfred Mayer e Lord Kelvin, un lavoro basato sulla disposizione di magneti circolari galleggianti in una pozza d'acqua. I magneti si dispongono autonomamente in figure geometriche note, la cui forma deriva dal numero di magneti stessi. Una volta giunti alla configurazione osservata, tuttavia, occorre rendere stabile il sistema affinché non vada a fondersi in una unica tempesta (così come si nota su Giove) e questa condizione può essere fornita dalla presenza, intorno a ciascuna tempesta, di un anello di venti di direzione opposta rispetto alla rotazione del ciclone stesso (anello anticiclonico). Questi anelli fanno sì che le tempeste possano respingersi a vicenda piuttosto che fondersi (Cheng Li et al. Modeling the stability of polygonal patterns of vortices at the poles of Jupiter as revealed by the Juno spacecraftProceedings of the National Academy of Sciences - 2020). 

In alcune condizioni, i cicloni tendono a fondersi (es. su Saturno). Credit: California Institute of Technology
In alcune condizioni, i cicloni tendono a fondersi (es. su Saturno). Credit: California Institute of Technology

Sono indubbiamente molte le caratteristiche peculiari dell'atmosfera di Giove, così come di Saturno, e secondo uno studio di fine 2020 dell'Università di Harvard il tutto potrebbe legarsi a un a meteorologia dipendente in prevalenza da forze interne, più che da forze esterne come accade sulla Terra. Mentre da noi il meteo è guidato da processi propri di un sottile strato atmosferico prossimo alla superficie, contrariamente a quanto ipotizzato per anni, quindi, le cose potrebbero essere molto diverse su Giove. A parlare sono due simulazioni che hanno imitato le condizioni di Giove (e Saturno), basati sulle ipotesi che a governare le turbolenze siano i gusci sferici e le loro convezioni. Una delle simulazioni (c.d. "del guscio sottile") ha portato a cicloni, anticicloni e getti zonali sui due giganti gassosi mentre la seconda (c.d. "a guscio spesso") ha mostrato pennacchi espulsi dallo strato magnetico (Rakesh Kumar Yadav et al. Deep convection–driven vortex formation on Jupiter and SaturnScience Advances - 2020).

Ultimo aggiornamento del: 03/10/2021 11:16:53

Campo magnetico e aurore polari

A Giove spetta anche il campo magnetico più potente del Sistema Solare, sebbene la dinamo che lo alimenta sia diversa da quella terrestre. Proprio il campo è fonte di aurore polari decisamente evidenti.

Fino alla missione Juno il campo magnetico di Giove era soltanto ipotizzabile e riproducibile tramite simulazioni, dipendenti sempre dalle ipotesi di partenza inserite nei modelli ma la comprensione della dinamo che alimenta i campi magnetici di Giove, Terra e Sole sono fondamentali per la comprensione dell'origine del Sistema Solare stesso.  

Il campo magnetico di Giove risulta il più intenso fra tutti i pianeti del Sistema Solare . La massa di idrogeno fluido che compone il pianeta lo rende un gigantesco corpo conduttore elettrico. Il campo è dipolare come quello della Terra –tranne in prossimità del pianeta - ma opposto rispetto al nostro, tanto che se si utilizzasse una bussola terrestre su Giove essa indicherebbe il Sud e non il Nord. In realtà, essendo particolarmente complesso, affermare che il campo sia dipolare non è del tutto esatto, ma all’interno della distanza di circa tre raggi gioviani questa affermazione trova fondamento concreto. 

X-ray: NASA / CXC / SwRI / R.Gladstone et al .; Optical: NASA / ESA / Hubble Heritage (AURA / STScI)
X-ray: NASA / CXC / SwRI / R.Gladstone et al .;
Optical: NASA / ESA / Hubble Heritage (AURA / STScI)

L’asse del dipolo magnetico è inclinato, rispetto all’asse di rotazione , di 10,8° ed ha un’intensità di circa 4 gauss (alla superficie della Terra il valore varia entro 0,3 - 0,8 gauss). Le cinture di radiazione gioviana, ciò che sulla Terra è noto come Fasce di Van Allen - le regioni in cui vengono intrappolati dal campo magnetico elettroni e protoni ad alta energia - risultano fino a diecimila volte più intense rispetto a quelle del campo magnetico terrestre. La magnetosfera di Giove è molto estesa, ed è sorprendente constatare come sia talmente “elastica” che in certi periodi il suo prolungamento possa arrivare a comprendere al suo interno persino il pianeta Saturno . Grande campo magnetico, grandi aurore.

La differenza tra il campo magnetico di Giove e quello terrestre è ulteriormente confermata dai dati della sonda Juno pubblicati a Settembre 2018 su Nature. Sulla Terra le linee del campo magnetico che partono dal polo nord chiudono il cerchio al polo sud mentre su Giove i punti di chiusura dei loop sembrano due, uno situato al polo e l'altro all'equatore . Inoltre i campi magnetici si trovano quasi totalmente nell'emisfero nord mentre il nostro pianeta non sembra avere preferenze in termini di emisfero . A essere diversa, in effetti, è la natura del campo magnetico: sulla Terra è indotto da un nucleo metallico in rotazione mentre su Giove la teoria parla esclusivamente di elio e idrogeno, poco conduttori a meno che l'estrema pressione non vada a creare idrogeno liquido metallico, conduttore come un metallo. Ad oggi non ci sono dati per spiegare i comportamenti magnetici di Giove. 

Le aurore polari su Giove furono documentate per la prima volta dalla sonda Voyager 1, mentre transitava sopra la parte in ombra del pianeta. Possono estendersi per centinaia di chilometri tanto da parlare di vere e proprie tempeste, ed appaiono particolarmente brillanti. Il fenomeno è imputabile in gran parte ai materiali espulsi dai vulcani del satellite Io: le molecole che compongono questi materiali, catturate ed intrappolate, partecipano alla rotazione del pianeta e, impattando con l’atmosfera , eccitano gli atomi e le molecole, le quali subiscono una transizione elettronica (salti quantici) ed emettono il bagliore.  Novità sono giunte dalla sonda Juno a Settembre 2017 attraverso l'osservazione di righe legate a potenziali elettrici molto potenti allineati con il campo magnetico di Giove, qualcosa che è in grado di accelerare gli elettroni verso l'atmosfera gioviana a energie superiori ai 400 mila eV, qualcosa che supera le energie delle aurore terrestri in misura da 10 a 30 volte maggiore. Giove ha le aurore più potenti del Sistema Solare quindi questo potenziale non è una sorpresa ma la sorpresa è stata un'altra: sebbene siano molto importanti, non sono queste le sorgenti che alimentano le aurore più intense ma sono alcuni tipi di accelerazioni turbolente che ancora non sono ben comprese. Ci sono tracce che indicano una instabilità dei processi all'aumentare della potenza delle aurore, qualcosa che lascia spazio a nuove ipotesi di nuovi processi, ma i dati non consentono di andare oltre. Inoltre, le due aurore polari di Giove, quella settentrionale e quella meridionale, sembrano essere indipendenti l'una dall'altra. I dati sono quelli a raggi X di Chandra e di XMM-Newton e hanno evidenziato emissioni molto forti in entrambi i poli, con quello meridionale sottoposto a pulsazioni ogni 11 minuti e quello settentrionale decisamente più caotico. Sulla Terra le due aurore si specchiano l'una nell'altra, variando allo stesso modo, e questo risultato su Giove è del tutto inatteso. Una spiegazione potrebbe derivare dalle interazioni delle linee del campo magnetico di Giove con il vento solare : si sospetta infatti che queste linee siano vibranti, producendo onde in grado di trasportare particelle verso i poli con velocità e direzioni variabili prima di collidere con l'atmosfera gioviana generando pulsazioni X. Gli hot spot di emissione X presenti ai due poli sono in effetti molto diversi, così come il loro comportamento. La combinazione di osservazioni ravvicinate di Giove da parte di JUNO con misurazioni simultanee in banda X da parte di XMM-Newton ha consentito di ottenere nuove informazioni su queste pulsazioni a raggi X delle aurore, scoprendo come i brillamenti X vengano innescati da vibrazioni periodiche delle linee del campo magnetico gioviano. Le vibrazioni creano onde di plasma che dirigono particelle pesanti fino a schiantarsi nell'atmosfera del pianeta rilasciando, appunto, emissione X. Non è chiaro cosa faccia vibrare il campo magnetico, anche se un indiziato è il vento solare in interazione con la magnetosfera (Z. Yao el al., "Revealing the source of Jupiter's x-ray auroral flares," Science Advances - 2021).

L'area aurorale polare di Giove può essere suddivisa in tra morfologie: regioni "oscure" con emissione minima, regioni "attive" con emissione vigorosa e - alle maggiori latitudini - regioni "turbolente". La sonda Juno ha rivelato flussi di particelle verso il basso e questo può spiegare le chiazze di emissione maggiore che hanno origine più vicino ai poli. Il meccanismo attivo, in questi casi, potrebbe essere la riconnessione magnetica che si verifica non molto al di sopra delle nuvole gioviane, anche se queste riconnessioni non sono state ancora osservate (A. Masters et al, Magnetic Reconnection Near the Planet as a Possible Driver of Jupiter's Mysterious Polar AurorasJournal of Geophysical Research: Space Physics - 2021).

Il 16 marzo 2021 un nuovo lavoro, basato sui dati della sonda Juno, fa luce sul fenomeno dell'aurora dawn storm, fenomeni che consistono in un aumento della luminosità e un allargamento dell'ovale aurorale di Giove a causa di una sorta di cortina di luce che va a circondare i poli nel punto prossimo al terminatore e che erano osservati fino ad allora soltanto da strumenti in orbita terrestre. La scoperta risale al 1994 a opera della Faint Object Camera di Hubble e le successive osservazioni hanno consentito soltanto di ottenere dati sul lato esposto dell'aurora e non su quello opposto. Juno ha scoperto come queste tempeste nascano proprio sul lato notturno del pianeta: la tempesta di luce ruota insieme al pianeta verso il lato diurno diventando ancora più luminosa ed emettendo fino a migliaia di gigawatt di luce ultravioletta, con una energia dieci volte superiore a quella di una aurora media gioviana. Si tratta di qualcosa simile alle "substorms" terrestri, derivanti da brevi disturbi nella magnetosfera e in grado di rilasciare energia nella ionosfera: una somiglianza che stupisce data la profonda differenza tra le magnetosfere di Giove e della Terra (la prima dominata dalle particelle di Io e la seconda dal vento solare). (B. Bonfond et al, Are Dawn Storms Jupiter's Auroral Substorms? AGU Advances, First published: 16 March 2021)

 

 

Evoluzione di una dawn storm nell'aurora di Giove.

Crediti Ultraviolet Spectrograph instrument aboard NASA’s Juno spacecraft. Credit: NASA/JPL-Caltech/SwRI/UVS/ULiège

L'aurora ad anello crescente osservata da Juno. Credit: NASA/SWRI/JPL-Caltech/SwRI/V. Hue/G. R. Gladstone
Aurora ad anello crescente
Credit: NASA/SWRI/JPL-Caltech/
SwRI/V. Hue/G. R. Gladstone

Sempre a Marzo 2021 lo spettrografo UVS a bordo di Juno ha rintracciato nuove caratteristiche aurorali, date da una emissione ad anello che si espande rapidamente nel tempo e che sembra legata alle particelle cariche provenienti dal bordo della magnetosfera e quindi da zone distanti milioni di miglia dal pianeta, laddove il vento solare ha il suo massimo impatto. La provenienza è testimoniata dall'elevata altitudine di questi anelli (V. Hue et al. Detection and Characterization of Circular Expanding UV‐Emissions Observed in Jupiter's Polar Auroral RegionsJournal of Geophysical Research: Space Physics - 2021).

Insolita è anche l'ombra lasciata dalle lune di Giove sulle aurore polari del pianeta gigante: le lune accompagnano il proprio transito sul disco con la proiezione della propria ombra, generando eclissi in miniatura note fin dai tempi di Galileo, tanto da essere ben previste tramite calcoli. Sulle aurore, le lune non proiettano una singola ombra: Io - ad esempio - proietta una serie lunga e altalenante di zone ombreggianti mentre Ganimede proietta una doppia ombra. Il tutto ripreso dalla camera JIRAM a bordo della sonda Juno. Le aurore di Giove sono caratterizzata da spot di luce appena al di fuori dell'ovale aurorale, spot (chiamati footprint) che dovrebbero derivare dalla precipitazione di plasma legata all'interazione con le lune più vicine. Le strutture che ne seguono somigliano una scia di vortici e seguono l'andamento della "scia di von Karaman" (idrodinamica) prodotta da un fluido che impatta su un corpo. Intorno allo spot principale sono presenti punti seconda.

Tramite il telescopio Keck alle Hawaii è stata ottenuta la mappa più dettagliata di sempre dell'alta atmosfera gioviana confermando come proprio le aurore siano responsabili del riscaldamento dell'intero pianeta. All'interno delle aurore le temperature sono molto elevate ma, nonostante questi fenomeni occupino meno del 10% del pianeta, riescono ad estendere gli effetti a tutto il globo, il che spiegherebbe il calore "eccessivo" misurato nelle zone più alte dei giganti gassosi (O'Donoghue, J. et al, Global upper-atmospheric heating on Jupiter by the polar auroraeNature - 2021).

La ionosfera di Giove, a parte le aurore, è sempre risultata fin troppo piatta ma in realtà non si era guardato bene e così, con osservazioni più dettagliate, è risultata una sorta di nastro equatoriale composto da H3+ a testimoniare una interazione extra-polare tra ionosfera e campo magnetico. Qualcosa di già noto anche sulla Terra e che trova conferma nella similitudine con Giove. In questa fascia la collisione tra fotoelettroni e H2 è una fonte significativa di ioni H3+.

Ultimo aggiornamento del: 21/09/2021 19:40:48

Il sistema di anelli

Giove possiede un sistema di anelli scoperto dalla sonda Voyager 1 nel 1979 e confermato in seguito dalle osservazioni della sonda Galileo. Un sistema diviso in tre zone, decisamente tenue e la cui natura lascia discutere.

Gli anelli di Giove dalla Voyager 1. Crediti NASA
Gli anelli di Giove dalla Voyager 1.
Crediti NASA

Questo gigante possiede un debole sistema di anelli, osservato per la prima volta dalla sonda Voyager 1 nel 1979. In realtà si dovrebbe parlare di un unico anello, in cui si distinguono tre sezioni principali. Procedendo dalla più esterna alla più interna, sono chiamate rispettivamente Gossamer, Main ed  Halo. La condizione di vicinanza a Giove dei satelliti più piccoli  fa si che questi risultino bersaglio facile per i frammenti di comete e di asteroidi provenienti dallo spazio interplanetario i quali - accelerati dall’intenso campo gravitazionale di Giove - colpiscono la superficie dei satelliti ad una velocità elevatissima, vaporizzandoli o facendoli addirittura deflagrare. Questi microscopici detriti, accumulandosi, hanno formato i sottili anelli, e tutto il sistema orbita attorno a Giove con un periodo di 5-7 ore. Per la formazione degli anelli sono però determinanti le piccole dimensioni e la massa contenuta delle quattro lune più interne, Metis ed Adrastea, in primis, che si muovono nella stessa direzione degli anelli, ma anche Amaltea e Tebe esercitano le loro influenze. La forza di gravità da sola risulta comunque insufficiente a trattenere la nube di detriti, ma le polveri si dispongono a disco, formando orbite molto simili a quelle dei satelliti da cui si originano.

Ad una distanza di 55.000 chilometri al di sopra delle nubi del pianeta si trova il bordo bene delineato dell’anello Gossamer, il più esterno ed il più brillante, largo circa 800 chilometri. Il secondo, Main, l’intermedio, è il più esteso con una larghezza di 6.000 chilometri. Infine il più interno, il terzo anello, molto più rarefatto, Halo, sembra estendersi fino all'atmosfera del pianeta. Gli anelli di Giove hanno una colorazione tendente all’arancione e sembra che il loro spessore non sia maggiore di qualche chilometro. A differenza di quelli di Saturno , gli anelli di Giove non contengono ghiaccio, ma sono costituiti prevalentemente di silicati. 

Eclisse di Sole da Giove osservata dalla sonda Galileo:grazie alla luce solare riflessa è stata possibile l'osservazione dei sottili anelli. Crediti NASA
Eclisse di Sole da Giove osservata dalla sonda Galileo:grazie alla luce solare riflessa è stata possibile l'osservazione dei sottili anelli. Crediti NASA

Ultimo aggiornamento del: 05/04/2020 15:40:08

I satelliti

Giove ha un sistema di satelliti decisamente imponente. Spiccano i satelliti galileiani ma la grande massa del pianeta fa sì che molti tra i corpi in orbita siano sopraggiunti per cattura gravitazionale. Alcuni non si fermano e finiscono per colpire

Giove possiede numerose lune, si parla di almeno 79 corpi, ma non è possibile stabilire il numero esatto in quanto sono da considerarsi satelliti, per essere precisi, tutti i corpi che costituiscono il sistema degli anelli gioviani. Fra questi, però, i più grandi e più famosi sono le quattro lune galileiane, dalla più prossima alla più distante,  Io, Europa, Ganimede e Callisto. Osservati nello stesso anno, 1610, da Galileo Galilei e da Simon Marius Mayr (fu quest’ ultimo a battezzare i quattro satelliti), sono noti anche come satelliti “galileiani” o “medicei”, così chiamati da Galileo in onore al mecenate, signore di Firenze, Cosimo II de Medici. Ad essi è legato uno dei più duri e letali colpi inferti alla teoria geocentrica (sistema tolemaico), e per contro, una prova dell’ attendibilità della teoria eliocentrica (sistema copernicano). 

Parleremo più diffusamente dei satelliti di Giove nella apposita sezione.

Ultimo aggiornamento del: 04/07/2020 14:53:40

Cosa osservare su Giove

Come pianeta maggiore del Sistema Solare, Giove offre all'osservazione un notevole numero di spunti: le bande atmosferiche, la Grande Macchia Rossa e i fenomeni legati al moto delle lune galileiane che danno vita a prevedibili configurazioni

Giove è famoso fin dai tempi antichi, essendo uno dei corpi celesti più luminosi insieme a Sole , Venere e Luna .  E' un pianeta che si presta molto bene all'osservazione, caratterizzato dai suoi quattro satelliti maggiori, quelli galileiani, e dalle sue fasce atmosferiche che forniscono svariati colori al disco all'interno dell'oculare. Tuttavia, i colori non sono separati molto nettamente, quindi un telescopio con piccola apertura riesce bene o male a farli intuire, mentre i satelliti vengono visti come puntiformi. Aperture più grandi, come rifrattori da 12 cm e riflettori da almeno 15 cm, riescono a dare più soddisfazioni. Non è il caso, inoltre, di forzare con aperture maggiori se non si può andare in un luogo di osservazione perfetto, dal momento che Giove non sopporta più di tanti ingrandimenti con cieli non perfetti o con altezze raggiunte non sufficientemente buone. 

Dal punto di vista osservativo, Giove ha un diametro angolare che arriva a 45'', visibile meglio con un ingrandimento di 150x (anziché superiore, come detto). La magnitudine nei momenti più favorevoli raggiunge -2,7. Sul suo disco si vedono passare parecchi oggetti, e questi transiti sono una delle maggiori attrazioni. Ovviamente i satelliti giocano la loro parte, dando luogo a fenomeni (i così detti PHEMU) quali transiti, occultazioni ed eclissi. Durante i transiti è visibile un puntino nero molto piccolo rispetto al disco gioviano, che passa all'equatore da destra verso sinistra (visione al telescopio, in realtà è in direzione opposta). Ovviamente anche la famosa Grande Macchia Rossa del pianeta può essere osservata con successo negli orari calcolati.

Per ottenere gli orari dei fenomeni visibili si può fare riferimento alla nostra apposita pagina, cliccando qui.

Calcolo dei PHEMU di Giove, crediti AstronomiAmo
Calcolo dei PHEMU di Giove, crediti AstronomiAmo

Non da meno, saltuariamente Giove è teatro di collisioni: è stato così per la cometa Shoemaker-Levy 9 e per ulteriori asteroidi (cicatrice di Wesley) ma si tratta di eventi impossibili da prevedere. Nella primavera (10 aprile) del 2020 la sonda Juno della NASA ha immortalato, ad ulteriore esempio, un bagliore ultravioletto nell'alta atmosfera del pianeta che va sotto il nome di Transient Luminous Event (TLE), tipico delle regioni atmosferiche superiori appunto. Il lampo è durato almeno 17 millisecondi (troppo per un TLE) ma anche lo spettro è risultato diverso dagli eventi più comuni, il che fa pensare a una più normale "meteora" a 225 chilometri di altitudine causata da un corpo di massa tra 250 e 1500 chilogrammi (Geophysical Research Letters. - “Detection of a bolide in Jupiter’s atmosphere with Juno UVS” - Rohini S. Giles et al.). Ancora, nel 2021, il 13 settembre alle ore 22:39 UTC qualcosa ha di nuovo colpito il pianeta gigante sotto gli occhi di diverse postazioni osservative, tra le quali quella dell'astrofilo brasiliano Jose Luis Pereira e di Harald Paleske dalla Germania, intenti a filmare il transito di Io. L'impatto ha colpito Giove a latitudine 106.9° e longitudine +3.8°. Si stima che il diametro dell'oggetto caduto possa essere di circa 20 metri e potrebbe trattarsi del resto di una cometa catturata dalla gravità di Giove.

La sequenza dell'impatto su Giove di settembre 2021. Crediti nell'immagine
La sequenza dell'impatto su Giove di settembre 2021. Crediti nell'immagine

I filtri più adatti per l'osservazione di Giove sono quelli del blu (Wratten 80A o 82A), il giallo o l'arancione (W12 o W21) ed il verde (W58). Anche se la recente tendenza è quella di fotografare, è sempre preferibile iniziare l'osservazione con un disegno di ciò che si vede visualmente anche perché spesso le fotografie risentono di artifici che portano lontani dalla realtà. 

L'osservazione di Giove, il pianeta più mutevole del sistema solare (basti pensare alle periodiche sparizioni della Fascia Sue Equatoriale), mira soprattutto ad evidenziare i cambiamenti nell'atmosfera del pianeta stesso. A questo scopo è utile descrivere ciò che si nota, le fasce visibili, specificandone una stima dei colori e delle intensità con le quali sono visibili. Questo risultato si ottiene al meglio attraverso un disegno. Aperture inferiori ai 150 mm per i riflettori non consentono di vedere grandi colorazioni, tuttavia è possibile utilizzare dei filtri alternando tra il blu ed il rosso. I particolari più evidenti con il filtro blu sono rossi, mentre quelli più evidenti con il filtro rosso sono blu.

La preparazione del disegno mentre si osserva può essere resa più difficile a causa della veloce rotazione del pianeta, quindi i maggiori dettagli dovranno essere forzatamente riportati subito sul foglio altrimenti si rischia di sbagliare longitudini. Prima si tracciano i dettagli maggiori, quindi, e poi si completa il disegno anche perché i dettagli sono marcati soltanto entro i 30° di longitudine dal Meridiano Centrale. Si inizia quindi a disegnare le bande, che consentono di definire al meglio le latitudini del pianeta effettuando continui confronti tra quanto disegnato e quanto osservato, paragonando le proporzioni. In seguito si aggiungono dettagli ed irregolarità maggiori, il più in fretta possibile ma sempre con precisione. L'individuazione del Meridiano Centrale è molto semplificata su Giove, a causa del suo schiacciamento polare e della presenza delle bande parallele all'equatore. Data la rotazione gioviana, in un'ora passano al Meridiano Centrale circa 36° di superficie. Per misurare i passaggi in meridiano occorre prendere nota con precisione dei tempi dei passaggi.

Ultimo aggiornamento del: 21/09/2021 19:46:13