Il pianeta Saturno: caratteristiche e scoperte
loading

Il pianeta Saturno: caratteristiche e scoperte

Il pianeta Saturno è sicuramente il più affascinante di tutto il Sistema Solare per il suo imponente sistema di anelli, unico per dimensione. Si tratta di un pianeta che però affascina e stupisce anche per tante altre caratteristiche come gli esagoni atmosferici, l'età degli anelli, la folta schiera di satelliti naturali e la sua storia di origine ed evoluzione. Un mondo estremamente dinamico.

Generalità su Saturno

Sesto pianeta del Sistema Solare in ordine di distanza dal Sole, Saturno è anche il secondo pianeta in ordine decrescente di dimensione dopo Giove e la sua storia, come l'orbita, sembra molto dipendente da quella del gigante gassoso.

I numeri di Saturno
Il pianeta Saturno, ripreso dalla sonda Cassini. Crediti ESA
Il pianeta Saturno, ripreso dalla sonda Cassini. Crediti ESA

 

DATI FISICI
Diametro
  • Equatoriale: 120536 km
  • Polare: 108728 km
Schiacciamento 0.097962
Massa 95.16 Masse terrestri
Densità media 0.69 g/cm3
Gravità 11,62 m/s2
Velocità di fuga 32.26 m/s
Rotazione siderale 0.44401 giorni terrestri
Obliquità su eclittica 26.73°
Albedo 0.47
Magnitudine minima -0.5
Temperatura superficiale -145°C (media)
DATI ORBITALI
Perielio 1.348.605.000 km
Afelio 1.505.804.000 km
Eccentricità 0.054685
Inclinazione su eclittica 2.4867°
Rivoluzione siderale 29,460 anni
Velocità media 9.64 km/s
Rivoluzione sinodica 378 giorni
Diametro
  • Max 20,7''
    • Min 15,0''

 

Saturno è il sesto pianeta del Sistema Solare in ordine di distanza dal Sole , ed il secondo più grande in termini di dimensioni dopo Giove .  E' un pianeta gassoso e come tale privo di una superficie propriamente detta, è caratterizzato da una bassa densità (inferiore a quella dell'acqua, tanto che poggiandolo su un immenso oceano, Saturno galleggerebbe) e dai famosi anelli, che durante le osservazioni lasciarono dubbioso persino Galileo Galilei. La posizione degli anelli, infatti, faceva si che Saturno, visto con gli strumenti dell'epoca, apparisse di forma diversa ad ogni osservazione. 

La forma di Saturno è molto schiacciata ai poli, caratteristica comune ai pianeti gassosi ma accentuata sul Signore degli Anelli a causa della sua grande velocità di rotazione . La differenza di diametro tra equatore e poli è di circa il 10%. La distanza media dal Sole è di 1,427 miliardi di chilometri, dati da una rivoluzione che impiega 29,458 anni terrestri ad essere completata. A quella distanza, la luce del Sole giunge con una intensità cento volte minore rispetto a quella percepita dalla Terra. Inclinazione orbitale di 2,488° rispetto all'eclittica, con una eccentricità dello 0,056. In particolare, l'inclinazione dell'asse di rotazione risente della presenza e della migrazione dei satelliti maggiori di Saturno - soprattutto Titano - come testimonia uno studio di inizio 2021 apparso su Nature Astronomy: una influenza che farà aumentare l'inclinazione nel corso dei prossimi miliardi di anni. Titano e le altre lune si stanno lentamente allontanando da Saturno, più velocemente di quanto stimato per anni e questo tasso di migrazione - calato nei calcoli - porta a un aumento dell'inclinazione dell'asse di rotazione di Saturno. Per più di tre miliardi di anni a partire dalla formazione del pianeta, l'asse dovrebbe essere rimasto soltanto lievemente inclinato mentre circa un miliardo di anni fa il moto dei satelliti dovrebbe aver innescato un fenomeno di risonanza che continua tutt'oggi, trainato anche dall'interazione con Nettuno (Melaine Saillenfest et al. The large obliquity of Saturn explained by the fast migration of TitanNature Astronomy - 2021). 

Storia dell'inclinazione di Saturno.Credit: Melaine SAILLENFEST / IMCCE
Storia dell'inclinazione di Saturno.Credit: Melaine SAILLENFEST / IMCCE

Gli anelli di Saturno visibili normalmente dalla Terra sono due (A e B), intervallati dalla Divisione di Cassini (una striscia nera che divide l'anello A dall'anello B). I viaggi delle sonde, tuttavia, hanno evidenziato una folta schiera di altri anelli più deboli. Questi si dispongono in sette fasce tra loro intervallate. Le fasce si dispongono in orizzontale ed hanno uno spessore non superiore ai due chilometri, mentre sono larghe circa 120mila Km. Il materiale (polveri e ghiaccio) è presente all'interno degli anelli in quantità molto bassa. La loro genesi dovrebbe essere recente, anche se è ancora in discussione. Gli anelli dovrebbero essere formati da detriti: quello che non si capisce è se questi detriti sono il resto di un impatto avuto da Saturno oppure sono il residuo dei materiali con i quali lo stesso Saturno si è formato. Si pensava che gli anelli fossero destinati a scomparire in pochi milioni di anni, ma recenti scoperte dicono che gli anelli ci sono sempre stati, ma sempre diversi: si riformano nel tempo. Vedremo in un apposito paragrafo l'evoluzione delle teorie sugli anelli. 

Impossibile stabilire il numero di satelliti di Saturno dal momento che, teoricamente, ogni particella di ghiaccio che compone gli anelli è un satellite . Il satellite più importante è senza dubbio Titano, in possesso (unico nel Sistema Solare) di una densa atmosfera . Tutti i satelliti, tranne Febe ed Iperione, ruotano in modo sincrono (mostrano la stessa faccia a Saturno dal momento che rotazione e rivoluzione coincidono). Iperione, in assoluto, è il satellite che diede un forte impulso alla teoria del caos, grazie alla sua rivoluzione estremamente randomica. Una prerogativa di alcuni satelliti di Saturno è data dal fatto che alcuni di questi hanno la stessa orbita ma non si scontrano mai (es.: Teti co-orbita con Telesto e Calipso).

Dubbi sono sempre esistiti sulla durata del giorno su Saturno: precedenti studi ipotizzavano 10 ore 39 minuti e 24 secondi mentre analisi più recenti hanno mostrato una differenza di sei minuti in più. E' infatti risultato come la rotazione di Saturno sia variabile in cicli di 25 giorni. Visto che 25 giorni sono il tempo di rotazione del Sole visto da Saturno, ne segue che la rotazione di Saturno è influenzata nel breve periodo dai venti solari e dal campo magnetico solare. Nel lungo periodo, inoltre, potrebbe essere influenzata anche dalle particelle emesse dai geyser di Encelado. A ciò si aggiunge che la rotazione di Saturno è di tipo differenziale: gli strati superiori equatoriali impiegano 10,233 ore a compiere un giro intorno al proprio asse mentre nucleo e mantello ruotano in 10,675 ore. E' questo un tipo di rotazione classico dei pianeti gassosi e comunque dei corpi non rocciosi, dal momento che anche il Sole possiede una rotazione differenziale intorno al proprio asse.

Gran parte della storia di Saturno è stata riscritta, in un processo ancora in atto, grazie ai dati della missione Cassini-Huygens, tra le missioni planetarie più importanti e complesse di sempre, con il giro orbitale più elaborato a oggi e in grado di portare a a termine fly-by a ripetizione, con il pianeta e i satelliti principali. Una missione trilaterale organizzata da NASA, agenzia spaziale statunitense, ESA, agenzia spaziale europea, e ASI, agenzia spaziale italiana, lanciata nell'ottobre del 1997 con una lunghissima traiettoria di quasi sette anni. 

Ultimo aggiornamento del: 20/01/2021 20:31:25

L'atmosfera e la struttura di Saturno

Da gigante gassoso quale è, Saturno è una enorme passa di atmosfera caratterizzata da una determinata composizione chimica ma anche da fenomeni transitori o permanenti che ancora oggi rappresentano veri e propri misteri, come le tempeste esagonali

L'atmosfera di Saturno si manifesta sotto forma di fasce di differente colore, esattamente come accade per Giove , anche se in maniera molto più sfumata e meno evidente ad eccezione delle più marcate fasce equatoriali. Anche su Saturno, come su Giove, esistono tempeste circolari all'interno delle fasce e Saturno condivide con Giove anche altri fattori, come la composizione chimica data dal 75% di idrogeno e dal 25% di elio unitamente a tracce di acqua, metano, ammoniaca, fosforo, arsenico e roccia. Idrogeno, fosforo ed arsenico sono presenti, tuttavia, in quantità maggiore rispetto alla quantità presente sul pianeta Giove. La spettroscopia nelle frequenze dell'infrarosso ha rivelato tracce di monossido di carbonio, fosfina, idruro di germanio ed arsina in quantità microscopiche: si tratta di sostanze che normalmente non si combinano con atmosfere basate su idrogeno ed elio, tuttavia potrebbero essersi formate in reazioni chimiche sconosciute e poi spinte verso lo strato superiore dell'atmosfera fino a rendersi visibili spettroscopicamente.

Si tratta di una composizione che, quindi, non si discosta molto da quella della nebulosa primordiale da cui si è formato il Sistema Solare e anche all'interno Saturno è molto simile al suo più grande vicino Giove: un nucleo roccioso che occupa più o meno 0,2 raggi planetari (più o meno la dimensione della Terra), uno strato di idrogeno metallico liquido ed uno strato di idrogeno molecolare che occupano uno spazio esteso tra 0,2 e 0,5 raggi planetari, accompagnati da diversi tipi di ghiaccio e sottoposti ad una pressione di 3 milioni di atmosfere. Saturno possiede un nucleo molto caldo (circa 12000 K) ed irraggia un'energia superiore di circa due volte a quella che riceve da Sole. La maggior parte di questa energia è generata da una lenta compressione gravitazionale (meccanismo di Kelvin-Helmholtz) e non da un meccanismo di fusione (non è una stella ). L'elio, più pesante dell'idrogeno, dovrebbe sprofondare nell'oceano liquido di idrogeno molecolare ed elio, comprimersi e liberare calore che per convezione migra verso la parte alta dell'atmosfera.

La struttura interna di Saturno. Crediti Andrea Pittalis via Wikipedia
La struttura interna di Saturno. Crediti Andrea Pittalis via Wikipedia

In alta atmosfera, i venti che spazzano Saturno sono fortissimi, soffiando fino a 1800 km/h nelle fasce equatoriali. Anche i cicloni non sono rari, soprattutto nelle zone circumpolari, con dimensioni che arrivano ai 1200 chilometri.

Il 7 aprile del 2004, a tre mesi dall'ingresso in orbita, Cassini osserva due tempeste fondersi in una sola larga struttura, fenomeno osservato per la seconda volta sul pianeta degli anelli, ma la sonda è anche testimone di apparizioni e sparizioni di nubi nonché di accensioni di fulmini, oltre che di nuovi satelliti.

I vortici esagonali

Nel 2004, al momento dell'arrivo su Saturno, Cassini osservò un vortice al polo sud di Saturno senza corrispettivo nell'emisfero nord, in un periodo in cui l'estate regnava nella parte meridionale del pianet a. Lo studio a lungo termine del pianeta ha portato a verificare la formazione di un vortice polare nella regione nord all'approssimarsi dell'estate "boreale", un vortice posto centinaia di chilometri sopra le nubi più alte, in piena stratosfera. La struttura appare perfettamente esagonale, esattamente come la struttura presente più in basso sul pianeta con gli anelli: due esagoni perfetti che nascono spontaneamente a diverse altitudini, rivelando una sorta di torre alta diverse centinaia di chilometri. Il vortice all'altezza delle nubi fu scoperto già dalla Voyager della NASA negli anni Ottanta ed è stato studiato per decenni, con dettagli rivelati dalla sonda Cassini. 

Il vortice polare esagonale di Saturno. Crediti ESA/NASA/Cassini
Il vortice polare esagonale di Saturno. Crediti ESA/NASA/Cassini

L'emisfero nord di Saturno, a lungo troppo freddo per essere osservato dagli strumenti di Cassini, ha iniziato a riscaldarsi dal 2009 in poi fino a consentire lo studio nell'infrarosso del vortice polare nord. Dal 2014 è stato possibile studiare la stratosfera nord tramite lo strumento CIRS e man mano che la visibilità aumentava ci si è accorti che la forma del vortice era sempre più somigliante all'esagono posto più in basso. A fronte di una colonna esagonale che sembra ergersi al polo nord, quindi, nulla di simile è mai stato osservato nell'emisfero sud a indicare una netta differenza tra le due zone di Saturno. L'estate boreale su Saturno durerà fino all'equinozio del 2024 e fino ad allora sarà interessante verificare l'evoluzione dell'esagono alto. Il vero peccato è aver scoperto questa struttura proprio al termine della missione Cassini. 

La zona interna del vortice polare di Saturno. Crediti ESA/NASA/ASI/Cassini
La zona interna del vortice polare di Saturno. Crediti ESA/NASA/ASI/Cassini

Le Oscillazioni Quasi Periodiche 

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.

La tempesta di Saturno. Crediti ESA/NASA/ASI
La tempesta di Saturno. Crediti ESA/NASA/ASI

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. Il battito Saturniano si verifica con cadenza di quindici anni e ha visto una "palpitazione" tra 2011 e 2013, in concomitanza con un raffreddamento repentino della fascia equatoriale. Ancora concomitante è stata una gigantesca tempesta (Great Northern Spot) che ha invaso l'intero emisfero nord del pianeta il che lascia pensare a un link tra i due eventi. L'onda legata alla tempesta si è diretta verso l'equatore andando a disturbare la QPO, nonostante l'ernome distanza. Tempeste simili sembrano essere annuali su Saturno, il che vuol dire che si presentano ogni 30 anni terrestri circa. Nel 2016 sulla Terra una simile onda ha provocato una "pulsazione" nel 2016 e sul nostro pianeta questa relazione è nota come teleconnessione: patterns meteorologici lungo il globo sono legati tra di loro e possono influenzarsi a vicenda in modo sostanziale. Un esempio eclatante è El Nino Southern Oscillation, che può influenzare le temperature e il clima di tutto il globo. 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.

Ultimo aggiornamento del: 02/01/2021 12:51:12

Il campo magnetico di Saturno

Un campo magnetico intorno a Saturno fu scoperto già nel 1979 dalla sonda Pioneer I, per poi essere misurato dalla Voyager a valori simili a quelli del campo magnetico terrestre.

Un campo magnetico intorno a Saturno fu scoperto già nel 1979 dalla sonda Pioneer I, per poi essere misurato dalla Voyager a valori simili a quelli del campo magnetico terrestre. Questo campo origina dallo strato di idrogeno liquido all'interno del pianeta, che genera frequenti scariche elettriche, e dalla elevata rotazione planetaria. Con un orientamento molto simile a quello di rotazione, dal quale differisce per meno dell'1%, il campo magnetico si estende per circa 2 milioni di chilometri ed oltre, in direzione opposta al Sole. 

L'interazione tra questa magnetosfera ed il vento solare genera anche su Saturno imponenti aurore polari, fotografate anche dall'Hubble Space Telescope e dalla strumentazione ad infrarosso [ della sonda Cassini, proprio a dicembre 2008. In realtà, a differenza di quanto avviene per Giove e Terra, la forma delle aurore polari di Saturno non è mai uguale alle aurore finora verificatesi. Il VIMS (Visual and Infrared Mapping Spectrometer) della sonda Cassini, osservando nel vicino infrarosso, ha visto aurore per nulla circolari interessare aree molto vaste della regione polare settentrionale occupando zone che in teoria non dovrebbero essere affatto interessate da questi fenomeni. Il campo magnetico di Saturno è più debole di quello gioviano quindi le aurore sono dettate principalmente dall'intensità e dalle variazioni del vento solare. L'aurora di dicembre 2008, del tutto nuova per forma e zone interessate, sembrava coprire la regione estesa tra gli 82° di latitudine ed il Polo Nord di Saturno. Inoltre, è parsa soggetta a cambiamenti che l'hanno portata addirittura a sparire e ricomparire nel tempo medio di circa 45 minuti. La motivazione di questa varietà di aurore porta a pensare che ci siano molti fattori che ancora ci sfuggono relativamente alla magnetosfera di Saturno ed alla sua interazione con il vento solare.

Anche Saturno, come la Terra, ha fasce di radiazione composte da particelle estremamente energetiche che si muovono intorno al pianeta a elevate velocità, ma contrariamente alle fasce terrestri quelle di Saturno non sono affatto influenzate dal vento solare bensì dalle lune gassose (Ottobre 2017, Nature - Max Planck Institute for Solar System Research). Le misurazioni a sostegno della tesi sono quelle di MIMI-LEMS sempre a bordo della sonda Cassini. La sonda è riuscita infatti a osservare l'evoluzione delle particelle per tutto un ciclo solare. Le fasce di radiazione di Saturno sono giganti, estendendosi dall'anello più interno fino all'orbita di Tethys per più di 285 mila chilometri nello spazio. La nostra Luna è posta ben al di là del limite delle Fasce di Van Allen mentre le fasce di Saturno abbracciano l'orbita di molte lune, alcune molto grandi come Giano, Mimas e Encelado. Queste lune hanno un ruolo molto evidente sulle fasce di Saturno, bloccando le particelle più energetiche a partire, soprattutto, dai protoni. Questa interazione crea aree totalmente isolate dalle altre. Sulla Terra le fasce hanno origine dal vento solare e dai raggi cosmici, mentre su Saturno le cose sono diverse: il vento solare può portare variazioni nette nella magnetosfera di Saturno ma questa interferenza si blocca all'orbita di Tethys. Non solo: nel primo anno di Cassini, a fronte di una riduzione nell'attività solare, le fasce hanno visto una intensità in aumento del tutto inattesa. Una interferenza potrebbe invece provenire dalla radiazione ultravioletta estrema del Sole, che potrebbe scaldare l'atmosfera del pianeta in modo localizzato. La turbolenza che ne deriverebbe potrebbe trasmettere questa informazione alla ionosfera ancorata alla magnetosfera. Come risultato, i protoni nella fascia di radiazione potrebbero reagire in maniera più efficiente del solito. Lungo il viaggio incontrano le lune di Saturno e vengono assorbiti, creando una perdita di energia significativa nella fascia.

I dati della sonda Cassini mostrano inoltre una ionosfera di Saturno molto più complessa di quanto ritenuto fino alla ricezione dei dati: complessa e influenzata dall'ombra proiettata dagli anelli, quindi molto variabile. Potrebbe inoltre interagire con le particelle di ghiaccio dagli anelli in un processo chiamato "ring rain". Le derivazioni sono tratte dai dati ottenuti dal Radio Plasma Wave Science (RPWS) installato sullla sondae si tratta soltanto delle prime elaborazioni basate sui primi 11 dei 22 passaggi nello spazio tra pianeta e anello interno: i dati mostrano una enorme varietà nella densità di elettroni in funzione di latitudine e altitudine da orbita a orbita: alcune variazioni sono attribuite alle interazioni con gli anelli, ma non tutte. Ad esempio gli anelli A e B proiettano ombre sul pianeta, opache abbastanza da bloccare la radiazione ultravioletta del Sole. Questa radiazione può colpire gli elettroni facendoli muovere più liberamente, con la conseguenza che le regioni in ombra hanno una minor densità di elettroni. La pioggia dagli anelli non ha un effetto significativo, invece, sulla ionosfera delle regioni equatoriali. 

La veloce rotazione di Saturno può comportare la presenza di "aurore di mezzogiorno": i dati della sonda Cassini forniscono molte informazioni riguardanti le riconnessioni magnetiche sul pianeta evidenziando come questi fenomeni si presentino sul lato diurno della magnetopausa così come si verificano nel lato notturno del magnetodisco, un anello di plasma formato vicino all'equatore dall'acqua e da altro materiale emesso dalle lune orbitanti. Si è sempre pensato che le riconnessioni fossero assenti sul lato diurno del magnetodisco dal momento che il vento solare renderebbe il disco stesso troppo sottile per poter innescare il fenomeno, eppure i nuovi dati mostrano riconnessioni anche in pieno giorno. Questa anomalia apparente è dovuta, probabilmente, all'elevata velocità di rotazione di Saturno che comprime il magnetodisco rendendolo spesso abbastanza da attivare il processo di riconnessione. Si tratta, tra l'altro, di un fenomeno la cui misura sembra sufficiente a creare aurore. Il fenomeno potrebbe presentarsi anche su altri pianeti ma la velocità di rotazione finora non era mai stata presa in esame tra i parametri usati per i modelli. 

Durante le ultime fasi del Grand Finale di Cassini, la sonda ha captato una sorprendentemente potente e dinamica interazione di onde di plasma in movimento tra Saturno, Encelado e i propri anelli, rivelando per la prima volta come le onde possano viaggiare sulle linee del campo magnetico connettendo Saturno direttamente a Encelado, come se percorressero un circuito elettrico. Encelado è una fonte continua di energia e a questa energia Saturno risponde lanciando segnale sotto forma di onde di plasma. Si tratta di un rapporto diverso da quello Terra-Sole: Encelado è immerso nel campo magnetico di Saturno ed è geologicamente attivo, sbuffando vapore acqueo che diviene ionizzato e che va a riempire l'ambiente circostante Saturno. Le interazioni sono state convertite in onde acustiche nel range di sensibilità del nostro orecchio e così, oggi, è possibile ascoltarle.

 

Ultimo aggiornamento del: 02/01/2021 13:02:54