Amici della Scienza

Giove: trovata abbondanza di acqua nell’atmosfera

Torna a far parlare di sé il ‘re’ del Sistema Solare: questa volta Giove si è guadagnato gli onori della cronaca per una scoperta effettuata da Juno, la sonda della Nasa che vanta un significativo contributo italiano con gli strumenti Jiram e KaT.

La sonda, lanciata nel 2011 con il compito di analizzare le caratteristiche di Giove come emblema dei pianeti giganti, ha raccolto una serie di dati significativi durante i suoi primi otto fly-by scientifici e da essi gli studiosi hanno notato che l’atmosfera del corpo celeste – all’altezza dell’equatore – presenta una rilevante quantità d’acqua.

I risultati dell’analisi sono stati illustrati nell’articolo “The water abundance in Jupiter’s equatorial zone”, pubblicato recentemente su Nature Astronomy; l’indagine è stata condotta da un gruppo di lavoro internazionale, coordinato dal California Institute of Technology e cui hanno preso parte anche rappresentanti del Jet Propulsion Laboratory della Nasa.

Giove

I dati di Juno, raccolti dal radiometro Mwr, indicano che all’equatore di Giove l’acqua costituisce circa lo 0,25% delle molecole dell’atmosfera, un valore che supera quasi di tre volte quello del Sole; lo strumento in questione impiega sei antenne che misurano simultaneamente la temperatura atmosferica a differenti profondità. La scoperta di Juno riveste particolare rilievo perché si tratta dei primi dati relativi a tale parametro dai tempi della missione Galileo della Nasa; questa sonda, lanciata nel 1989 per studiare Giove e attiva sino al 2003, aveva raccolto dei dati che suggerivano una notevole secchezza del pianeta rispetto al Sole, in base al confronto della presenza dei componenti dell’acqua (ossigeno e idrogeno).

Determinare la quantità di acqua nell’atmosfera di Giove è da anni un target di ricerca molto sentito dai planetologi, che ritengono tale informazione di primaria importanza, sia per le implicazioni che può avere sui fenomeni meteo del pianeta, sia e soprattutto per migliorare le conoscenze sulle origini del Sistema Solare: il gigante gassoso, infatti, è stato probabilmente il primo pianeta a formarsi e contiene buona parte dei gas e delle polveri che non sono state inglobate nel Sole.

giove

Nel dicembre 1995 la sonda Galileo aveva sostenuto, con il suo spettrometro, una serie di misurazioni per verificare quanta acqua si trovava nell’atmosfera di Giove fino a una profondità di circa 120 chilometri, dove la pressione raggiungeva un valore di 22 bar.

I dati prospettavano una presenza d’acqua pari a 10 volte meno di quanto previsto e un ammontare di essa – in crescita – a grandi profondità, in aree molto al di sotto della fascia in cui, secondo le attuali teorie, l’atmosfera avrebbe dovuto essere ben miscelata (vale a dire, rappresentativa dell’intero pianeta). Le misurazioni della sonda furono poi messe a confronto con i dati all’infrarosso ottenuti nel contempo da un telescopio di terra e da questa verifica gli studiosi dedussero che probabilmente Galileo si era imbattuta in un’area ristretta e inusualmente secca e calda.

Il team della missione Juno si è particolarmente centrato sull’equatore del pianeta perché in quell’area l’atmosfera appare ben miscelata, anche a livelli profondi, in paragone ad altre zone; la sonda ha raccolto i dati ad una profondità di 150 chilometri, dove la pressione è pari a 33 bar.

Una volta constatato che l’acqua in quest’area è più copiosa rispetto a quanto osservato da Galileo, gli studiosi ora intendono fare dei raffronti con le altre zone di Giove. Al momento, Juno si sta muovendo verso nord e si concentrerà sull’emisfero settentrionale di Giove; il suo prossimo fly-by scientifico è in programma il 10 aprile 2020.

L’abbondanza di acqua nella zona equatoriale di Giove

L’ossigeno è l’elemento più comune dopo l’idrogeno e l’elio nell’atmosfera di Giove e potrebbe essere stato il principale condensabile (come ghiaccio d’acqua) nel disco protoplanetario. Prima della missione di Giunone, le misurazioni in situ dell’abbondanza di acqua di Giove furono ottenute dalla sonda Galileo, che cadde in un sito meteorologicamente anomalo.

I risultati della sonda Galileo furono inconcludenti perché la concentrazione di acqua stava ancora aumentando quando la sonda cessò di inviare dati. Qui riportiamo l’abbondanza di acqua nella regione equatoriale (da 0 a 4 gradi di latitudine nord), sulla base di dati rilevati a 1,25-22 GHz dal radiometro a microonde Juno, sondando pressioni di circa 0,7 a 30 bar.

Poiché la Juno ha scoperto che l’atmosfera profonda è sorprendentemente variabile in funzione della latitudine, resta da confermare se l’abbondanza equatoriale rappresenti l’abbondanza d’acqua globale di Giove. Si presume che l’abbondanza di acqua nella regione equatoriale sia 2.5×10^3 ppm o volte il rapporto elementare di ossigeno protosolare e idrogeno (1 σ incertezze).

Se ciò riflette l’abbondanza globale di acqua, il risultato suggerisce che è improbabile che i planetesimali che hanno formato Giove fossero idrati di clati ricchi di acqua 2.7

Radiometro a microonde Juno (MWR)

Il radiometro a microonde Juno (MWR) è uno strumento scientifico a sei frequenze progettato e costruito per studiare la profonda atmosfera di Giove. Fa parte di una serie di istruttori della New Frontiers Mission della NASA che Juno ha lanciato a Giove il 5 agosto 2011.

Il focus di questo documento è la descrizione degli obiettivi scientifici dell’indagine MWR insieme al design sperimentale, all’approccio osservativo e alla calibrazione che raggiungerà questi obiettivi, sulla base del piano di missione di Juno fino all’inserimento dell’orbita di Giove il 4 luglio 2016.

Con frequenze distribuite approssimativamente per ottava da 600 MHz a 22 GHz, il MWR campionerà la radiazione termica atmosferica da profondità che si estendono dall’ammoniaca regione della nuvola a circa 1 bar per livelli di pressione profondi fino a 1000 bar.

giove

Gli obiettivi scientifici principali dell’indagine MWR sono determinare le proprietà dinamiche attualmente sconosciute dell’atmosfera subcloud di Giove e determinare l’abbondanza globale di ossigeno e azoto, presenti nell’atmosfera sotto forma di acqua e ammoniaca sotto i rispettivi mazzi di nuvole.

L’esperimento MWR è progettato per misurare con elevata precisione sia la radiazione termica di Giove sia la sua dipendenza dall’angolo di emissione ad ogni frequenza rispetto alla normale locale atmosferica. Le antenne alle quattro frequenze più alte (21,9, 10,0, 5,2 e 2,6 GHz) hanno larghezze di fascio di ∼12 ° e raggiungeranno una risoluzione spaziale che si avvicina a 600 km vicino al perijove. Le antenne alle frequenze più basse (0,6 e 1,25 GHz) sono vincolate da limiti di dimensioni fisiche e hanno una larghezza del fascio di 20 °, consentendo di ottenere una risoluzione spaziale fino a 1000 km.

Il MWR otterrà la temperatura di luminosità di Giove e la sua dipendenza dall’angolo di emissione in ciascun punto lungo la pista del veicolo spaziale secondario, su angoli fino a 60 ° rispetto alle normali latitudini n1, durante almeno sei passaggi perimetrali dopo l’inserimento dell’orbita.

La dipendenza dell’angolo di emissione sarà ottenuta per tutte le frequenze con una precisione migliore di una parte su 103, sufficiente per rilevare piccole variazioni della temperatura atmosferica e dei profili di concentrazione dell’assorbitore che distinguono le proprietà dinamiche e compositive della profonda atmosfera gioviana. durante almeno sei passaggi peri dopo l’inserimento dell’orbita.

La dipendenza dell’angolo di emissione sarà ottenuta per tutte le frequenze con una precisione migliore di una parte su 103, sufficiente per rilevare piccole variazioni della temperatura atmosferica e dei profili di concentrazione dell’assorbitore che distinguono le proprietà dinamiche e compositive della profonda atmosfera gioviana. durante almeno sei passaggi peri dopo l’inserimento dell’orbita.

La dipendenza dell’angolo di emissione sarà ottenuta per tutte le frequenze con una precisione migliore di una parte su 103, sufficiente per rilevare piccole variazioni della temperatura atmosferica e dei profili di concentrazione dell’assorbitore che distinguono le proprietà dinamiche e compositive della profonda atmosfera gioviana.

Riferimenti e approfondimenti

  1. The water abundance in Jupiter’s equatorial zone – Nature Astronomy  (2020)
  2. V. Adumitroaie, SM Levin, D. Santos-Costa, S. Gulkis, MA Janssen, in Aerospace Conference 2016 (IEEE, New York, 2016), pagg. 1-11
  3. SK Atreya, atmosfere e ionosfere dei pianeti esterni e dei loro satelliti (Springer, New York, 1986
  4. Amici della Scienza – www.focusuniverse.com
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