Origine ed evoluzione dei Origine ed evoluzione dei pianetipianeti

Angioletta CoradiniAngioletta Coradini

Una Storia per

immagini

Gravitational Collapse

Accretion Nabular Capture

Interplanetary Cloud Condensation

Perchè le origini

•• Lo studio delle origini rappresenta lLo studio delle origini rappresenta l ’’elemento elemento chiave nello studio della planetologiachiave nello studio della planetologia .

• Infatti, nessun esperimento può essere concepito ed andare a buon fine senza un opportuno lavoro di analisi del problema e senza la messa a punto di modellipunto di modelli , sia pure preliminari, tramite i quali prevedere l’andamento dei processi fisici che si vogliono studiare al fine verificare o negare le teorie esistenti, oppure formularne delle nuove teorie

• In questo periodo tutta l’attività di modellistica è s tata aggiornata, con la messa a punto di nuovi codici e l’aggiornamento e la parallelizzazione di codici prec edenti

Origine ed evoluzione dei pianetiOrigine ed evoluzione dei pianetiOccorre distinguere il sistema planetario in due grandi zone: •La zona in cui i silicati dominano sugli altri composti,� regione dei pianeti terrestri, •La zona dominata dal gas � regione dei pianeti gioviani•La regione di transizione � la fascia asteroidale,•La fascia asteroidale è di notevole importanza per la comprensione del sistema planetario

a) perché rappresenta una regione di confine, e quindi, deve rappresentare il luogo in cui certi processi fisici diventano prevalenti rispetto ad altri; i

b) poiché ospita oggetti che non si sono accresciuti ma che hanno in ogni caso subito un’evoluzione collisionale profonda e di lunga durata.

Come sono studiati i pianeti terrestri: storia termica

• Storia termica � tramita la storia termica si mette in relazione il processo di formazione con l’evoluzione del pianeta.

• In particolare si è studiata la storia termica di Mercurio e del pianeta nano Vesta

• Uno dei problemi chiave èmodellizzare l’evoluzione termica di un mantello planetario in funzione del tipo di reologia che lo caratterizza.

• Per un oggetto tipo MERCURIO si sono effettuate delle simulazioni tramite la teoria della convezione parametrica in condizioni di “stagnant lid” che si applicano bene a MERCURIO per il quale non ci sono evidenze di tettonica delle placche

1250

1200

1150

1100

1050

Flux (mW/m2)

100T

empe

ratu

re (

K)

806040200

Dislocation Creep wet: red Rc=1800; blu Rc=1868

Nella figura si vede come l’evoluzione termica del mantello di Mercurio proceda in modo abbastanza regolare e quasi indipendente dalle dimensioni del nucleo se la reologia è quella di dislocation creep wet.

Come sono studiati i pianeti terrestri: la Come sono studiati i pianeti terrestri: la storia geologicastoria geologica

• L’analisi geologica dei pianeti richiede un attento esame delle superfici e un confronto con le strutture e i processi attivi sulla terra.

• Un notevole esempio sono le immagini e i dati spettroscopici della missione MRO che attualmente consentono una revisione di mote strutture geologiche di Marte.

• Le nuove interpretazioni possono anche divergere fortemente dalle prime considerazioni.

• Un esempio� l’evoluzione di Marte

Geologia comparativa:

Che l’acqua sia stata presente su Marte e’ ormai e finalmente un dato assodato. Ma e’necessario comprendere il ciclo dell’acqua su Marte e le relazioni tra la sua presenza e i cambiamenti climatici ed ambientali.

L’elemento chiave di tale analisi sono i paleolaghi dove rimane impressa l’evidenza della idrosfera passata.

Il metano e’ ormai chiaro che e’ presente nell’atmosfera marziana. Manca pero’ un modello geologico che ne spieghi il suo trasferimento dal sottosuolo all’atmosfera.

I dati di supeficie e le analogie col ciclo del metano sulla Terra suggeriscono una ipotesi di lavoro per un modello geologico.

Cic

lo d

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Cic

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Delta complesso, multilobato con canali meandriformi e barre di foce. Indicatore di una idrosfera vivace sostenuta da una atmosfera densa e ricca di umidita’

Delta con corpi sovraimposti (multistorey) indicatori di rapidi episodi idrici ma con alte portate e periodi di attivita’ dell’acqua intermittente, ma con durate degli episodi di lunga durata

I delta nei paleolaghi mostrano l’evoluzione ambientali dei corpi idrici e conseguentemente dell’attivita del ciclo dell’acqua e le sue relazioni con l’ambiente circostante.

I delta mostrano una notevole variabilita e il loro studio integrato portera’ ad una definizione piu’ dettagliata della storia geologica legata al ciclo idrologico

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Esempio di analisi delle variazione del livello dellEsempio di analisi delle variazione del livello dell ’’acquaacqua

DownlapDownlapDownlapDownlap

Prograding clinoformsPrograding clinoforms

InterpretativeInterpretativesketchsketch

DownlapDownlap

Prograding clinoformsPrograding clinoforms

MFSMFSMFSMFS

MFSMFS

Retrogradational Stacking PatternRetrogradational Stacking Pattern(TST)(TST)

Retrogradational Stacking PatternRetrogradational Stacking Pattern

Progradational Stacking Pattern (HST)Progradational Stacking Pattern (HST)

Progradational Stacking PatternProgradational Stacking Pattern

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Attraverso l’analisi della superficie marziana e’ possibile individuare le zone di emmissione di gas e dunque, probabilmente, di metano.

Vulcani di fango in Isidis Planitia evidenza di emissione di metano dal sottosuolo

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La zona di transizioneLa zona di transizione

• E’ stato migliorato il software per il calcolo

degli elementi propri e per la

classificazione in famiglie dinamiche;

• in collaborazione con il gruppo di Padova ha studiato gli spin dei NEA, dimostrando come la distribuzione osservata sia conseguenza degli incontri planetari e dell'effetto YORP ;

• in collaborazione con il gruppo di Torino

sta studiando gli asteroidi “Hungaria”, il cui

campionamento e', in termini relativi, il piu'

abbondante fra tutti gli asteroidi ed impone

uno studio dinamico-collisionale piu'

approfondito.

• Si sono esplorate numericamente gli

effetti della geometria di deflessione

per un potenziale impattore della

Terra;

• Si sono studiate l'efficienza delle

perturbazioni stellari sulla nube di

Oort, mostrando che esse sono

altrettanto importanti di quelle dovute

alla marea galattica per l'iniezione di

comete nella regione planetaria;

• Si sono messi a punto algoritmi per il

calcolo del tasso di dispersione degli

sciami di meteoroidi dovuto agli

incontri ravvicinati con i pianeti.

La modellizzazione dei processi di formazione ed evoluzione planetaria èlegata alla comprensione della evoluzione dinamica dei corpi minori nel SS.

Il ruolo degli effetti non gravitazionali

YARKOVSKY/YORPAlcuni risultati dedotti dalla

distribuzione degli Hungaria in H vs. a proprio:

• La dispersione indica che

c'e' una sola famiglia

dinamica ma anche una

frazione di non-membri della

famiglia

• L'asimmetria del grafico

mostra che effetti non

gravitazionali (Yarkovsky,

YORP) sono all'opera

Dall’evoluzione dinamica alla evoluzione collisionale

• Modelli di evoluzione collisionale : adattamento del programma di planet building (origine PSI, Tucson, USA) per l'evoluzione collisionale degli asteroidi tenendo conto anche delle zone orbitali e dell'effe tto delle risonanze su trasferimenti a NEO).

Mass and volatiles delivery to CeresLa formazione di Giove ed il Bombardamento di Vesta e Cerere

1. ISL: rocky bodies which formed inside the Snow Line

2. BSL: volatile-rich bodies which formed beyond the Snow Line

-1.00 -0.80 -0.60 -0.40 -0.20 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.004.20

4.40

4.60

4.80

5.00

5.20

5.40

5.60

5.80

6.00

6.20

Roma Dicembre 2008

Formazione di Giove nel disco protoplanetario

4.70 4.80 4.90 5.00 5.10 5.20 5.30 5.40 5.50 5.60 5.700.00

0.10

0.20

0.30

Struttura radiale

Struttura Verticale

Legami con i pianeti extrasolari: Corot

• Osservazione da Terra dei target COROT• Analisi dei dati presi da Terra• Analisi dei dati presi dallo Spazio• Modelli teorici per interpretazione dei dati

Satellite lanciato il 27 dicembre 2006, operativodal febbraio 2007. Tre long run e quattro short rungià effettuati. Dati resi disponibili al CoI italiano e ai numerosi GI italiani.

CAMPO ASTEROSISMOLOGICOArticolo e copertina di “Science” (24 ottobre 2008):

determinazione del differente contributo della granulazione fotosferica e delle pulsazioni in stelledi tipo solare (Michel et al., 2008).

Osservazioni simultanee da Terra tramite due consecutivi Large Programme ESO, il primo– terminato – con FEROS, il secondo – all’inizio –con HARPS.

ADDITIONAL PROGRAMS

Completamento fotometria multicolori di vari campi effettuati (INAF-OARoma)Tre assegni di ricerca già attivati per lavorare sui dati (Roma, Capodimonte e Brera)

CAMPO EXOPLANETARIO

E’ stata annunciata la scoperta di almeno cinque nuovi sistemi planetari(la caratterizzazione di molti altri è in corso):

CoRoT-Exo-1b : P=1.509 d 1.03 MJup 1.49 RJup G0 starCoRoT-Exo-2b : P=1.743 d 3.31 MJup 1.46 RJup G2 starCoRoT-Exo-3b : P=4.256 d 21.7 MJup 1.01 RJup F3 starCoRoT-Exo-4b : P=9.202 d 0.72 MJup 1.19 RJup F star

La stella genitrice di CoRoT Exo-2-b è stata studiata in dettaglio dal gruppo diCatania (Lanza et al., 2008) e sono state individuate due longitudini attive, responsabili della modulazione della curva di luce CoRoT. Una periodicità pari a 29 giorni nella quantità di area macchiata suggerisce cicli di attività simili aquelli solari.

Si noti inoltre la grande massa di CoRoT-Exo-3b, ch e inizia a colmare la lacuna fra pianeti gioviani e n ane brune.

Gli interni Planetari� Radioscienza e gravitazione

• Gli obiettivi scientifici degli esperimenti di radioscienza (RS), basati su un accurato tracking da Terra di una sonda o di un lander planetario, sono legati principalmente allo determinazione dellastruttura interna dei pianeti, dei satelliti e dei corpi minori del sistema solare mediante la misura del loro campo gravitazionale e delle loro deformazioni mareali.

• Tale informazione, insieme con quella fornita da indagini di tipo geomorfologico e geofisico che permettano di sviluppare un modello di interno planetario , permette di determinare la struttura del campo gravitazionale di un pianeta e quindi definirne con precisione le armoniche del campo gravitazionale.

• L’importanza di questo tipo di studi è notevole poiché la conoscenza della struttura interna di un pianta permette proprio di confermare o smentire i modelli di formazione ed evoluzione planetaria

““RadioScienze e GravitazioneRadioScienze e Gravitazione””

Accelerazioni non gravitazionaliAccelerazioni non gravitazionali

Possibili usi di un accelerometro a bordo di una

sonda interplanetaria o di un satellite attorno

ad un primario nell’ambito di esperimenti di RS

• Definizione precisa dei segnali attesi (ampiezze, frequenze)

• Sistema di riferimento• Posizionamento dello strumento

all’interno del satellite• Valutazione degli effetti dovuti ad

una possibile variazione temporale del centro di massa del satellite

• Definizione precisa dei segnali attesi (ampiezze, frequenze)

• Sistema di riferimento• Posizionamento dello strumento

all’interno del satellite• Valutazione degli effetti dovuti ad

una possibile variazione temporale del centro di massa del satellite

• Eventuali segnali spurii agenti sull’accelerometro

• Effetti termici• Errori di allineamento• Vibrazioni strutturali del satellite• Accoppiamento delle componenti• Rumore intrinseco dello

strumento

Error budget

ValutazioniValutazioni

Gli interni e le atmosfereGli interni e le atmosfereLo studio delle atmosfere permette di completare il panorama dello studio dei pianeti.

– Modellazione dell’atmosfera Gioviana;– Raccolta di informazioni disponibili su posizione delle linee spettrali,

intensità delle linee spettrali, e coefficienti dell’allargamento delle linee allo scopo di valutare le differenze introdotte negli spettri teorici di Venere per la missione VEX;

– Confronto dei diversi modelli di calcolo per la trattazione dello scattering atmosferico e studio delle proprietà dell’aerosol di Titano;

– Partecipazione a esperimenti di laboratorio dedicati alle misure di trasmissività di gas in condizioni pressioni e temperature caratteristiche di Titano e Venere;

– Completamento della messa a punto di un modello di trasferimentoradiativo per l’atmosfera di Titano;

– Sviluppo e validazione di un modello a mesoscala per la circolazione atmosferica di Marte;

– Studio della struttura degli hot spot e della distribuzione dell’aerosol nell’atmosfera di Saturno.

Sviluppo di codici di trasferimento radiativo

• Focus on Jupiter conditions, in view of JIRAM:

– Tuning of CH4 line shape

– Validation of fast approximate methods

– Optimization of aerosol models

– Implementation of H2-H2 and H2-He CIA

• Work is performed on the basis of:

– Extensive numerical testing

– Reanalysis of NIMS datasettaking benefit of heritage from long-

term cooperation with IKI-RAS

Inversion of radiance observed in the 5 um window of Jupiter atmosphere allows the

study of its composition, an to place constraints on the formation processes.

0200AM June 01 ,04

Surface temperature and pressure

MM5 at 5 Deg MM5 at 2 Deg

0200PM

June 01 ,04

Temperature Comparison

MM5 (thick)-TES (thin)

Nella slide precedente sono presenti i seguenti grafici:1.SURFACE TEMPERATURE AND PRESSURE: confronto tra temperatura e pressione superficiale di MM5 per Marte a 5 gradi (sinistra) e 2 gradi (destra) di risoluzione spaziale alle 2 ed alle 14 (le ore nelle quali è disponibile anche il confronto con il Thermal Emission Spectrometer della NASA) su tutto il dominio utilizzato per il modello. Dal confronto si evince che all’aumentare della risoluzione la variabilità spaziale del campo di temperatura e’ chiaramente piùpronunciata.2.TEMPERATURE COMPARISON: confronto tra profili di temperatura di MM5 a 2 gradi di risoluzione (linea più spessa) e TES (linea più sottile), agli stessi orari delle fig. precedenti. Da questo confronto si vede che il modello sottostima la temperatura dei bassi strati durante la notte, mentre sovrastima quella degli strati sopra il PBL durante il giorno.

WEATHER FORECASTING ON MARS BY MM5 MESOSCALE MODELING

• After several million of year, depending on the amount and kind of radioisotopes in the models, the CO reach a quasi-stationary level.

• In the figure the stationary profile is obtained not considering 26Al in 1 107 years.

• The 3 models differs in the radioactive elements content (model 0 no radioactivity)

Evoluzione termica dei Kuiper Belt

ANo radioactiveelements

Composizione interna

Un Confronto

UDepleted core

Low 26 AlHigh 26 Al

Und.Core

enriched layer

Undiff. layerCrust

Con.region

Undiff.layer