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Il pianeta Saturno

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: i dati della Voyager indicavano una durata di 10 ore e 40 minuti mentre studi successivi ipotizzavano 10 ore 39 minuti e 24 secondi. In seguito la misura è stata portata a una differenza di sei minuti in più. E' 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. A oggi il tempo di rotazione del pianeta risulta variato di circa 6 minuti rispetto alle misurazioni delle Voyager, una variazione che richiede centinaia di milioni di anni e non venti anni come quanto osservato. Al contrario, Giove emette segnali a frequenze maggiori e il suo periodo risulta molto stabile. Cosa differenzia i due pianeti, a parte gli anelli, è dato dalle stagioni e proprio qui risiederebbe l'origine della variabilità della rotazione saturniana. Saturno ha una inclinazione di 27° mentre Giove di appena 3°, il che evita a questo ultimo di sperimentare variazioni stagionali. Saturno riceve invece diverse quantità di radiazione  nei due emisferi in base al punto orbitale e la radiazione ultravioletta interferisce con il plasma posto negli strati più alti dell'atmosfera.Un nuovo modello indica come le variazioni in ultravioletto  possano creare variazioni di resistenza in grado di rallentare l'atmosfera. Questo cambia il plasma stagionalmente unitamente alle emissioni radio captate (E.L. Brooks et al. Saturn's multiple, variable periodicities: A dual‐flywheel model of thermosphere‐ionosphere‐magnetosphere coupling, Journal of Geophysical Research: Space Physics (2019)

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: 03/04/2021 19:32:02

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 (dal quale origina il campo magnetico del pianeta) 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. Delle simulazioni, peraltro, sostengono come per ottenere un campo magnetico come quello di Saturno, perfettamente allineato all'asse di rotazione, lo strato di elio che avvolge lo strato di idrogeno metallico deve presentare una specie di pioggia di elio liquido (Agu Advances - “Recipe for a Saturn‐Like Dynamo” - C. Yan e S. Stanley). Informazioni aggiuntive sul nucleo di Saturno vengono dalle onde che le oscillazioni del pianeta generano sugli anelli, utilizzati quindi come un gigantesco sismografo (questa idea nasce da Mark Marley e Carolyn Porco negli anni Novanta, con la prima osservazione datata 2013 grazie ai dati di Cassini sull'anello C). I risultati mostrano come il nucleo possa non essere del tutto roccioso ma più "sfocato", una sorta di zuppa di ghiaccio, roccia e fluidi metallici che si estende per il 60% del diametro del pianeta, quindi più grande rispetto alle teorie classiche. Un risultato sorprendente che però va a sposarsi bene a quanto dedotto dai dati della sonda Juno su Giove, il cui nucleo sembra parimenti diluito. Le increspature gravitazionali osservate indicano un profondo interno di Saturno che, pur oscillando nel suo insieme, si compone di strati stabili, il che è possibile solo se la frazione di ghiaccio e roccia aumenta gradualmente avvicinandosi al centro del pianeta. Il nucleo che ne deriva è 55 volte la massa della Terra, massa della quale 17 masse terrestri sono ghiaccio e roccia mentre il resto è occupato da un fluido di idrogeno e elio (Mankovich, C.R et al, A diffuse core in Saturn revealed by ring seismologyNat Astron - 2021).

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: 18/08/2021 13:30:50

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

Gli anelli di Saturno

Gli anelli di Saturno rappresentano la struttura che rende questo pianeta il più amato dagli osservatori ma anche uno dei più misteriosi e studiati dai professionisti. Oggi, dopo la missione Cassini, possiamo dire di aver svelato molti misteri

La prima cosa che balza agli occhi di Saturno ovviamente sono gli anelli, anche se oggi sappiamo che gli anelli stessi sono una prerogativa di tutti i pianeti gassosi del nostro Sistema Solare . Quelli di Saturno, tuttavia, sono gli unici visibili in maniera netta anche con semplici binocoli. Gli anelli planetari di Saturno sono composti da milioni di oggetti ghiacciati delle dimensioni massime di un chilometro di diametro, disposti sul piano equatoriale del pianeta . Inizialmente si pensava che gli anelli avessero una continuità e non fossero formati da piccoli elementi granulari, tuttavia già nel 1859 il fisico Maxwell riuscì a dimostrarne teoricamente la composizione discreta e non continua. 

Non sempre gli anelli sono visibili da Terra: anno dopo anno l'inclinazione del loro piano varia rispetto al nostro punto di vista il che ha portato a una sorta di "equinozio" nel 2009. In questo periodo, Saturno era perfettamente allineato equatorialmente al nostro pianeta e gli anelli, sottilissimi, si presentavano di taglio con il risultato di essere invisibili da Terra. 

Anelli di Saturno ripresi dalla missione Cassini. Crediti NASA/Cassini
Anelli di Saturno ripresi dalla missione Cassini. Crediti NASA/Cassini

Gli anelli iniziano da una altezza di 6.600 chilometri sopra le nubi di Saturno e arrivano quasi a 500.000 chilometri di distanza, con uno spessore di circa 3 chilometri. Proprio gli anelli fecero sì che Galileo Galilei, parlando di Saturno, lo definì bizzarro: a volte visti di taglio, altre volte più visibili, queste strutture facevano assumere al pianeta una forma sempre diversa. Galileo ci impazzì tanto da lasciarlo stare per un po'. All'inizio, nel 1610, il nostro astronomo individuò per Saturno due corpi laterali che davano al pianeta un aspetto "tricorporeo". L'anno dopo i corpi esterni erano scomparsi, tanto da far credere a Galileo di aver avuto abbagli legati a difetti dell'ottica. Poi apparvero di nuovo ma con forma diversa. Fu Huygens, nel 1659, ad individuare la natura esatta degli anelli. 

Il problema dell'età degli anelli

Non è ancora certo come gli anelli si siano formati: potrebbero essere il resto di un satellite disintegrato da una cometa oppure il residuo del materiale che ha formato Saturno e che non è riuscito a collassare sul pianeta. Recenti studi invece parlano di materiale sempre nuovo e giovanissimo, basando il tutto sulla stima del materiale in caduta sugli stessi. In tal caso, gli anelli potrebbero essere sempre presenti nel tempo ma composti da materiale che si rinnova, il che lascia pensare che sia una caratteristica genetica del pianeta gassoso, oppure potrebbero essere strutture giovani che fino a poche centinaia di migliaia di anni fa non erano visibili poiché inesistenti. A tal riguardo, i dati della missione Cassini hanno consentito stime, smentite e conferme sull'età degli anelli tra il 2028 e il 2020 in particolare: uno studio guidato dal Prof. Luciano Iess de La Sapienza è arrivato infatti a stimare precisamente la massa degli anelli attraverso i dati degli ultimi giri della sonda prima del Grand Finale. Il risultato cui si è giunti vedeva gli anelli di Saturno avere una età compresa tra 10 e 100 milioni di anni, un battito di ciglia cosmologico. La massa degli anelli è stata calcolata tramite strumenti di radioscienza tanto precisi da riuscire a distinguere la gravità esercitata dagli anelli da quella esercitata dal pianeta. Gli anelli risultano composti al 99% da ghiaccio puro, con il restante 1% dato da impurità di silicio il cui flusso in ingresso è stato determinato in precedenza. Una volta noto il tasso al quale queste particelle arrivano, e finalmente misurata la loro quantità (1% della massa ottenuta) è stato possibile risalire nel tempo all'inizio del tutto, un inizio compreso appunto tra 10 e 100 milioni di anni fa, il tempo necessario a far accumulare la quantità di impurità misurata oggi. Si sta dando per scontato, tuttavia, come il tasso in ingresso del materiale sia stato sempre costante nel tempo, il che rappresenta una assunzione tutta da verificare. Uno scenario simile è stato ricondotto a una probabile collisione di una cometa con una delle lune di Saturno. A Settembre 2019 un  aggiornamento: l'assunzione da verificare della quale si parlava esce allo scoperto visto che durante EPSC 2019 un nuovo lavoro ha sostenuto come i processi in grado di espellere polvere e materiale organico dagli anelli stessi possano portare a una sottostima del valore ottenuto. In poche parole, gli anelli potrebbero essere più vecchi di quanto sostenuto in precedenza. Non è ovviamente possibile una misurazione diretta e proprio per questo si ricorre a deduzioni a partire da altri parametri, come massa e composizione chimica. In virtù dell'aggiornamento, quindi, la massa misurata durante il Grand Finale di Cassini è straordinariamente in accordo con i modelli di evoluzione dinamica di anelli massivi risalenti al Sistema Solare primordiale. Gli anelli si compongono di particelle e blocchi che vanno da micrometri e diversi metri e le interazioni viscose tra i blocchi provocano la diffusione degli anelli e il trasporto di materiale come su un nastro. Ciò porta alla perdita di massa dal bordo più interno, laddove le particelle cadono nel pianeta, e dal bordo esterno, dove il materiale attraversa il confine esterno in una regione nella quale iniziano a formarsi i satelliti. Anelli più massivi si diffondono più rapidamente e perdono massa più velocemente. Secondo i modelli, qualsiasi sia la massa iniziale degli anelli, la tendenza è quella di convergere su anelli con massa pari a quella misurata da Cassini dopo 4 miliardi di anni, adattandosi ai tempi della formazione del Sistema Solare. La massa misurata durante il Grand Finale sarebbe quindi il prodotto naturale di miliardi di anni di evoluzione, e non una massa specifica del Sistema Saturno. Nulla esclude che gli anelli si siano effettivamente formati recentemente e proprio con questa massa, ma sarebbe una coincidenza strabiliante. Inoltre, a fronte di 600 chilogrammi di granuli di silicato che cadono sugli anelli di Saturno ogni secondo, altri studi mostrano come la presenza di molecole organiche nell'atmosfera superiore del pianeta possano derivare dagli anelli stessi. Gli anelli, quindi, si starebbero ripulendo dagli inquinanti piovuti dall'esterno in un processo di pulizia che rischia di far apparire gli anelli più giovani di quanto in realtà non siano (Aurélien Crida et al. Are Saturn's rings actually young?, Nature Astronomy - 2019). 

Gli anelli vengono chiamati con le lettere dell'alfabeto: inizialmente A era il più esterno e man mano si andava verso l'interno aumentando le lettere. Le scoperte successive hanno avuto il difetto di mescolare le lettere, facendo perdere questa continuità. Ci sono sette fasce di anelli, separate da spazi quasi vuoti creati, occupati e forgiati dai satelliti pastore del pianeta. 

Anelli di Saturno
Nome Distanza dal centro (KM) Larghezza Note
Anello D 60.000 - 72.600 12.600 Si tratta dell'anello planetario più interno di Saturno, posto all'interno dell'anello C e molto rarefatto.
Divisione di Guerin 72.600 - 73.800 1.200 Spazio vuoto presente tra gli anelli D e C del sistema di anelli planetari di Saturno.
Anello C 73.800 - 92.000 17.500 Con una massa totale di 1,1x1018 kg, è il secondo anello più interno dopo l'anello D. E' noto come anello di garza dal momento che è molto meno luminoso degli altri.
Divisione di Colombo 77.800 - 77.900 100 Dal nome dell'astronomo italiano Giuseppe Colombo, si tratta di uno spazio vuoto posto tra gli anelli C e B di Saturno.
Divisione di Maxwell 87.500 - 87.700 270 Dedicata al fisico James C. Maxwell, si tratta di uno spazio vuoto presente tra gli anelli C e B, contiguo alla divisione di Colombo.
Anello B 92.000 - 117.500 25.500 Con una massa totale di 2,8x1019 kg, è l'anello più brillante insieme all'anello A, al suo esterno. L'anello B si compone di numerosi anelli minori e da regioni con alta densità di polveri, che conferiscono all'anello stesso una forma a raggiera.
Divisione di Cassini 117.500 - 122.200 4.700 Dedicata a Giandomenico Cassini che la scoprì nel 1675, è la separazione posta tra gli anelli B ed A del pianeta Saturno. Si tratta della divisione più famosa, visibile anche attraverso strumentazioni amatoriali. La divisione è dovuta all'influenza gravitazionale di Mimas, che espelle materiale al suo passaggio.
Separazione di Huygens 117.680 285-400 Dedicata a Christiaan Huygens, è uno spazio vuoto tra gli anelli B ed A di Saturno, all'interno della vasta divisione di Cassini.
Anello A 122.200 - 136.800 14.600 Con una massa totale di 6,2x1018 kg, con l'anello B, è il più brillante del pianeta ed è posto all'esterno dell'anello B e della divisione di Cassini. Al suo interno ci sono due regioni povere di materiale: la divisione Encke e la divisione di Keeler. Ogni anello è tenuto "fermo" da alcuni satelliti, per questo chiamati "pastore", e per tre decenni è stato pensato che a tenere a bada l'anello A fosse il satellite Giano ma i dati della missione Cassini hanno consentito di osservare il lavoro di ben sette satelliti correlate all'anello. I dati infatti mostrano dapprima che il solo Giano non è sufficiente, per massa, a mantenere l'ordine nell'anello A e così un team della Cornell ha deciso di indagare (Astrophysical Journal, 18 ottobre 2017): il confinamento dell'anello A è condiviso tra Pan, Atlas, Prometeo, Pandora, Epimeteo, Mimas e Giano, che lavorano in team per contenere le particelle nei confini dell'anello. Da qui nascono anche le onde di densità che attraversano l'anello, a causa della risonanza orbitale delle lune che lo contengono. 
Divisione di Encke 133.570 - 133.570 325 Spazio vuoto all'interno dell'anello A. La mancanza di materiale in questa zona (non assoluta, ma rarefatta) è dovuta al satellite pastore Pan. All'interno della divisione, la missione Cassini ha rivelato la presenza di un minuscolo anello.
Divisionen di Keeler 136.530 35 Spazio vuoto presente all'interno dell'anello A, dovuto al satellite pastore Dafni.
R/2004 S1 137.630 190? Designazione temporanea di un anello saturniano, posto tra l'anello A e l'anello F nell'orbita del satellite Atlante. Sottile e poco visibile, è stato scoperto ed annunciato il 9 settembre 2004 sulla base di immagini della sonda Cassini.
R/2004 S2 138.900 ? Designazione temporanea di un anello saturniano, posto tra le orbite di Atlante e Prometeo. Sottile e quasi invisibile, è stato scoperto nel 2005 sulla base di immagini provenienti dalla sonda Cassini.
Anello F 140.210 30-500 Anello esterno di Saturno, è stato scoperto nel 1979 ed è tenuto stabile da due satelliti pastore come Prometeo e Pandora, internamente ed esternamente. La sua struttura si compone di molti piccoli anelli attraversati da noduli, accumuli di materiale o satelliti minuscoli. La luna Prometeo genera canali e raggi sull'anello con le sue interazioni gravitazionali. Il periodo orbitale è di 14h 50m 28s.
Anello G 165.800 - 173.800 8.000 Anello esterno di Saturno, è debole di polveri ed è delimitato da Giano ed Epimeteo. Scoperto nel 1980 dalla Voyager 1, ha un periodo orbitale di 19h 52m 43s ed è composto da particelle con dimensioni che vanno da qualche micrometro a qualche millimetro. Il suo bordo più interno a volte appare più luminoso e questa maggiore luminosità è fatta risalire a scontri di residui ghiacciati che interagiscono con la gravità di Mimas. Il 61° satellite di Saturno, scoperto nel 2009 e con un diametro di circa 1,5 chilometri, è del tutto speciale: risulta centrato in un brillante arco all'interno dell'anello G: proprio il neo-scoperto satellite potrebbe essere il motivo dell'esistenza dell'anello G. Piccoli impatti potrebbero aver sollevato getti di polvere dalla superficie del satellite fino a formare l'anello, distribuitosi lungo il piano orbitale del satellite stesso.
Anello E 180.000 - 480.000 300.000 Anello più esterno di Saturno, scoperto dalla Voyager 1 nel 1980. E' molto largo, delimitato internamente dal pastore Mimas ed esternamente dall'orbita di Rhea, il satellite con gli anelli. Composto da materiale ghiacciato e polveroso, viene alimentato dal vulcanismo del satellite Encelado, dal quale ottiene anche la salinità proveniente dal presunto mare salato di Encelado.
Variabilità dell'anello F - Gli anelli di Saturno appaiono tra le strutture più variabili del Sistema Solare e uno in particolare, l'anello F, viene visto  variare nel giro di poche ore, mostrando addensamenti di materiale che si formano svaniscono in poco tempo. La causa di questo comportamento è ancora sconosciuta ma è noto che i processi di aggregazione (fusione) di particelle e di frammentazione giocano un ruolo importante negli anelli planetari come quelli di Saturno. Questi processi devono controbilanciarsi abbastanza bene su larga scala per mantenere le strutture stabili pur nella loro variabilità. 
Un nuovo modello è riuscito a identificare un meccanismo che potrebbe essere la causa della formazione di addensamenti negli anelli come l'anello F e questa scoperta riesce a tener fede anche al principio di conservazione di massa, che evita la creazione e la distruzione di massa da parte di reazioni chimiche. Si tratta di una soluzione oscillatoria senza fine derivante da modelli matematici incentrati su aggregazione e frammentazione, un processo in grado di portare a un ciclo stabile sorprendente.
Crediti Cassini/NASA/MIMI/LEMMS
Crediti Cassini/NASA/MIMI/LEMMS

Relativamente all'anello D, gli ultimi tuffi di Cassini nella zona più interna di Saturno hanno consentito la detection di una fascia di protoni in prossimità del pianeta , una fascia totalmente distaccata da quella principale e dal resto della magnetosfera dovutamente alla presenza degli anelli A, B e C. Lo strumento Magnetospheric Imaging Instrument (MIMI) ottenne pochi dati per la zona compresa tra anello D e pianeta già durante le prime orbite della sonda Cassini, datate 2004, rivelando fin da subito la probabile presenza di particelle cariche. Negli anni successivi l'oggetto dello studio si spostò sulla fascia di radiazione  principale, esterna agli anelli, composta di protoni ed elettroni intrappolati dal potente campo magnetico  di Saturno. La fascia principale si estende per più di 285 mila chilometri nello spazio ed è notevolmente influenzata dalle lune di Saturno, tanto da risultarne spezzata in cinque settori. Il ritorno dell'interesse per la zona più interna degli anelli è legato quindi alle ultime fasi della missione Cassini ma i tredici anni di attesa sono stati ripagati con la conferma di una fascia secondaria di protoni compresa tra anello D e alta atmosfera del pianeta, una fascia generata dalla radiazione galattica incidente: quando questa radiazione interagisce con il materiale atmosferico del pianeta o con gli anelli vengono innescate delle reazioni a catena in grado di generare protoni altamente energetici intrappolati poi dal campo magnetico di Saturno, il quale è in questa zona dieci volte più forte rispetto a quanto non lo sia all'esterno. Questa forza fa sì che i protoni possano rimanere nella fascia per anni, fino anche le continue interazioni con anelli e alta atmosfera non poducono una perdita di energia. La durata è comunque incerta visto che ci sono parametri ancora (E.Roussos et al. - "A radiation belt of energetic protons located between Saturn and its rings" - Science 2018).

 

 

Ultimo aggiornamento del: 11/04/2021 21:23:30