Stage astrofisica 2010- 11. Osservazioni dallo Spazio - G.Piccioni

Giuseppe PiccioniGiuseppe Piccioni

Cosa ci offre una missione Cosa ci offre una missione spaziale planetaria ?spaziale planetaria ?

(in particolare con la spettroscopia)(in particolare con la spettroscopia)

Giuseppe Piccioni (INAF-IASF)Giuseppe Piccioni (INAF-IASF)[email protected]@iasf-roma.inaf.it


Breve prefazione: il caso “sociale”, Breve prefazione: il caso “sociale”, ovvero perché l’esplorazione ovvero perché l’esplorazione spaziale è fonte di ricchezzaspaziale è fonte di ricchezza

(produce molto di più di quello che si investe)(produce molto di più di quello che si investe)


Esempio, consideriamo il caso NASAEsempio, consideriamo il caso NASA Il Il budget NASA 2010 è di $18.7 miliardibudget NASA 2010 è di $18.7 miliardi, di cui approssimativamente , di cui approssimativamente $5-$7 $5-$7

miliardimiliardi per l’esplorazione spaziale (quello di per l’esplorazione spaziale (quello di ESA per il 2010 è di €3.7 miliardi, ESA per il 2010 è di €3.7 miliardi, circa $5.3 miliardicirca $5.3 miliardi).).

Per comparazione:Per comparazione: National Debt Payment: $10.2 trilioni (National Debt Payment: $10.2 trilioni (580 volte il budget NASA580 volte il budget NASA)) Department of Defense: $515.4 miliardi (Department of Defense: $515.4 miliardi (29.3 volte il budget NASA29.3 volte il budget NASA)) Global War on Terrorism: $189.3 miliardi (Global War on Terrorism: $189.3 miliardi (10.8 volte il budget NASA10.8 volte il budget NASA)) Health & Human Services: $68.5 miliardi (Health & Human Services: $68.5 miliardi (3.9 volte il budget NASA3.9 volte il budget NASA)) Department of Transportation: $63.4 miliardi (Department of Transportation: $63.4 miliardi (3.6 volte il budget NASA3.6 volte il budget NASA)) Department of Education: $59.2 miliardi (Department of Education: $59.2 miliardi (3.4 volte il budget NASA3.4 volte il budget NASA)) Department of Housing & Urban Development: $38.5 miliardi (Department of Housing & Urban Development: $38.5 miliardi (2.2 volte il budget 2.2 volte il budget

NASANASA)) Department of Energy: $25.0 miliardi (Department of Energy: $25.0 miliardi (1.4 volte il budget NASA1.4 volte il budget NASA) )

Nel 2009, il Congresso USA ha approvato uno "stimolo" di $787 miliardi per Nel 2009, il Congresso USA ha approvato uno "stimolo" di $787 miliardi per banche, mutui ed industrie automobilistiche per 1 anno. Questo banche, mutui ed industrie automobilistiche per 1 anno. Questo equivale ad un equivale ad un funzionamento NASA per i prossimi 42 anni !!!funzionamento NASA per i prossimi 42 anni !!!


Esempio, consideriamo il caso NASAEsempio, consideriamo il caso NASAQualche altro dato comparativo interessante:Qualche altro dato comparativo interessante: Secondo un rapporto del Barna Research Group and the Baptist Press del Secondo un rapporto del Barna Research Group and the Baptist Press del

Novembre 2003, gli Americani in un anno spendono in media: Novembre 2003, gli Americani in un anno spendono in media:

$586.5 miliardi in giochi d’azzardo;$586.5 miliardi in giochi d’azzardo; $80 miliardi in droghe illegali;$80 miliardi in droghe illegali; $58 miliardi in consumo di alcol;$58 miliardi in consumo di alcol; $31 miliardi in tabacco;$31 miliardi in tabacco; $250 miliardi in trattamenti medici per le cure legate ai problemi di cui sopra $250 miliardi in trattamenti medici per le cure legate ai problemi di cui sopra

Inoltre, nel 2003, gli Americani hanno speso:Inoltre, nel 2003, gli Americani hanno speso:

$224 miliardi per mangiare fuori casa;$224 miliardi per mangiare fuori casa; $191 miliardi per barche private;$191 miliardi per barche private; $67 miliardi in cene fredde;$67 miliardi in cene fredde; $25 miliardi in giardinaggio;$25 miliardi in giardinaggio; $22.1 miliardi nella caccia;$22.1 miliardi nella caccia; $21.3 miliardi in prodotti stravaganti;$21.3 miliardi in prodotti stravaganti; $15 miliardi in cibi snacks $15 miliardi in cibi snacks

budget NASA budget NASA 2010 è di $5-$7 2010 è di $5-$7 miliardi per miliardi per l’esplorazione l’esplorazione spazialespaziale


Esempio, consideriamo il caso NASAEsempio, consideriamo il caso NASA

Da un rapporto di NBC Nightly News (Saturday, Nov. Da un rapporto di NBC Nightly News (Saturday, Nov. 24, 2006):24, 2006):

Americans collectively spent Americans collectively spent $8.9 billion in ONE $8.9 billion in ONE dayday during the post-Thanksgiving holiday during the post-Thanksgiving holiday shopping event known as "Black Friday“.shopping event known as "Black Friday“.

Questo corrisponde a circa metà dell’intero budget Questo corrisponde a circa metà dell’intero budget NASA di un anno intero !!!NASA di un anno intero !!!



Da uno studio per NASA-1971 del Midwest Da uno studio per NASA-1971 del Midwest Research Institute risultò:Research Institute risultò:

"The 25 billion in 1958 dollars spent on civilian space "The 25 billion in 1958 dollars spent on civilian space R & D during the 1958-1969 period has returned R & D during the 1958-1969 period has returned $52 billion through 1971 and will continue to $52 billion through 1971 and will continue to produce pay-off through 1987, at which time the produce pay-off through 1987, at which time the total pay off will have been $181 billion. The total pay off will have been $181 billion. The discounted rate of return for this investment will discounted rate of return for this investment will have been 33 percent."have been 33 percent."



Un articolo del prestigioso giornale scientifico Un articolo del prestigioso giornale scientifico "Nature""Nature" (January 9, 1992, pag. 105-106), (January 9, 1992, pag. 105-106), riportava:riportava:

"The economic benefits of NASA's programs "The economic benefits of NASA's programs are greater than generally realized. The are greater than generally realized. The main beneficiaries (the American public) main beneficiaries (the American public) may not even realize the source of their may not even realize the source of their good fortune..."good fortune..."



Una conferma che lo “spazio paga” può essere Una conferma che lo “spazio paga” può essere trovato nel rapporto Chapman Research 1989, trovato nel rapporto Chapman Research 1989, che esaminò solamente 259 applicazioni non che esaminò solamente 259 applicazioni non spaziali di NASA in un periodo di 8 anni dal 1976 spaziali di NASA in un periodo di 8 anni dal 1976 al 1984 e trovò che queste applicazioni portarono al 1984 e trovò che queste applicazioni portarono in aggiunta a:in aggiunta a:

$21.6 miliardi di vendita in merci;$21.6 miliardi di vendita in merci; 352,000 posti di lavoro creati o preservati 352,000 posti di lavoro creati o preservati

(principalmente qualificati);(principalmente qualificati); $355 miliardi di gettito fiscale federale aggiunto$355 miliardi di gettito fiscale federale aggiunto



Finora, NASA ha prodotto 1500 “spin-off”, Finora, NASA ha prodotto 1500 “spin-off”, senza per altro contare gli altri impieghi e le senza per altro contare gli altri impieghi e le applicazioni tecnologiche e sociali indirette applicazioni tecnologiche e sociali indirette di più difficile tracciabilitàdi più difficile tracciabilità


CAT scans CAT scans MRIsMRIs Kidney dialysis machinesKidney dialysis machines Heart defibrillator technologyHeart defibrillator technology Remote robotic surgeryRemote robotic surgery Artificial heart pump technologyArtificial heart pump technology Physical therapy machinesPhysical therapy machines Positron emission tomographyPositron emission tomography Microwave receivers used in scans for breast cancerMicrowave receivers used in scans for breast cancer Cardiac angiographyCardiac angiography Monitoring neutron activity in the brainMonitoring neutron activity in the brain Cleaning techniques for hospital operating roomsCleaning techniques for hospital operating rooms Portable x-ray technology for neonatal offices and 3rd world countriesPortable x-ray technology for neonatal offices and 3rd world countries Freeze-dried foodFreeze-dried food Water purification filtersWater purification filters ATM technologyATM technology Pay at the Pump satellite technologyPay at the Pump satellite technology Athletic shoe manufacturing techniqueAthletic shoe manufacturing technique Insulation barriers for autosInsulation barriers for autos Image-processing software for crash-testing automobilesImage-processing software for crash-testing automobiles Holographic testing of communications antennasHolographic testing of communications antennas Low-noise receiversLow-noise receivers Cordless toolsCordless tools A computer language used by businesses such as car repair shops, Kodak, A computer language used by businesses such as car repair shops, Kodak,

hand-held computers, express mailhand-held computers, express mail Aerial reconnaissance and Earth resources mappingAerial reconnaissance and Earth resources mapping Airport baggage scannersAirport baggage scanners Distinction between natural space objects and satellites/warheads/rockets for Distinction between natural space objects and satellites/warheads/rockets for

defensedefense Satellite monitors for nuclear detonationsSatellite monitors for nuclear detonations Hazardous gas sensorsHazardous gas sensors Precision navigationPrecision navigation Clock synchronizationClock synchronization Ballistic missile guidanceBallistic missile guidance Secure communicationsSecure communications Study of ozone depletionStudy of ozone depletion Climate change studiesClimate change studies Monitoring of Earth-based storms such as hurricanesMonitoring of Earth-based storms such as hurricanes Solar collectorsSolar collectors Fusion reactorsFusion reactors Space-age fabrics for divers, swimmers, hazardous material workers, and Space-age fabrics for divers, swimmers, hazardous material workers, and

othersothers Teflon-coated fiberglass for roofing materialTeflon-coated fiberglass for roofing material Lightweight breathing system used by firefightersLightweight breathing system used by firefighters Atomic oxygen facility for removing unwanted material from 19th century Atomic oxygen facility for removing unwanted material from 19th century

paintingspaintings FDA-adopted food safety program that has reduced salmonella cases by a FDA-adopted food safety program that has reduced salmonella cases by a

factor of 2factor of 2 Multispectral imaging methods used to read ancient Roman manuscripts buried Multispectral imaging methods used to read ancient Roman manuscripts buried

by Mt. Vesuviusby Mt. Vesuvius …… ……

Di seguito, solo alcuni esempi di implicazioni sociali provenienti dall’esplorazione spaziale (e non solo per il caso NASA):


Il caso scientificoIl caso scientifico

Perché si osserva dallo spazio ?Perché si osserva dallo spazio ?

… … per risolvere alcuni importanti problemi per risolvere alcuni importanti problemi legati all’osservazione da terra, come quelli legati all’osservazione da terra, come quelli di seguito indicati.di seguito indicati.


Primo problemaPrimo problema

L’atmosfera terrestre attenua o cancella L’atmosfera terrestre attenua o cancella completamente alcuni “colori”completamente alcuni “colori”

Unici “colori” permessi sono nelle cosiddette Unici “colori” permessi sono nelle cosiddette “finestre atmosferiche”“finestre atmosferiche”– non è solo un problema di nubi ma anche non è solo un problema di nubi ma anche

queste fanno la sua parte…queste fanno la sua parte…


Finestre atmosfericheFinestre atmosferiche


Secondo problemaSecondo problema

La visibilità dei corpi celestiLa visibilità dei corpi celesti L’osservazione è permessa soltanto a certe L’osservazione è permessa soltanto a certe

ore e con geometrie ben definiteore e con geometrie ben definite– gli oggetti si muovono o troppo velocemente o gli oggetti si muovono o troppo velocemente o

troppo lentamentetroppo lentamente


Terzo problemaTerzo problema

La risoluzione spaziale, ovvero la capacità La risoluzione spaziale, ovvero la capacità di vedere nei minimi dettaglidi vedere nei minimi dettagli

E’ legato agli aspetti tecnologici ed ai limiti E’ legato agli aspetti tecnologici ed ai limiti indotti dagli altri punti discussiindotti dagli altri punti discussi– Osservare un dettaglio di 1m a 1UA, è del tutto Osservare un dettaglio di 1m a 1UA, è del tutto

equivalente ad osservare 1 singolo atomo a equivalente ad osservare 1 singolo atomo a 20m di distanza !20m di distanza !

20 m


Quarto problemaQuarto problema

Le costrizioni dovute alle condizioni di Le costrizioni dovute alle condizioni di illuminazione (local time, ecc…)illuminazione (local time, ecc…)– Un’ osservazione spesso è permessa se e solo Un’ osservazione spesso è permessa se e solo

se un obiettivo è illuminato o in ombra se un obiettivo è illuminato o in ombra


Marte - Olympus Mons da HRSC-MEX Marte - Olympus Mons da HRSC-MEX


Quinto problemaQuinto problema

La “copertura”, ovvero la mappa completa La “copertura”, ovvero la mappa completa ed esaustiva dell’obiettivo con la risoluzione ed esaustiva dell’obiettivo con la risoluzione prestabilita ed alle condizioni di luce definiteprestabilita ed alle condizioni di luce definite


Sesto problemaSesto problema

L’”in-situ”, ovvero la necessità di “toccare” L’”in-situ”, ovvero la necessità di “toccare” (con mano o robot) l’obiettivo da studiare(con mano o robot) l’obiettivo da studiare– tanto per fare qualche esempio: per misurare il tanto per fare qualche esempio: per misurare il

campo magnetico, l’attività sismica, l’analisi campo magnetico, l’attività sismica, l’analisi elementare e mineralogica microscopica, elementare e mineralogica microscopica, identificare forme di vita, ecc…identificare forme di vita, ecc…


Un esempio…Un esempio…– La missione ESA Venus ExpressLa missione ESA Venus Express


Lancio di Venus Express 9 Novembre 2005


Come osserviamoCome osserviamo

Caso 1, osservazione al pericentro

Caso 2, osservazione Off-pericentro

Caso 3, osservazione all’apocentro


Spettro tipico di Venere nel lato non illuminato (lato notte)

Le finestre atmosferiche venusiane permettono lo studio fino alla superficie


Acido Solforico (HAcido Solforico (H22SOSO44) + ?) + ?

Lato giorno

Lato notte, infrarosso (finestre atmosferiche)

Strati delle nuvoleStrati delle nuvole

Strato

Nebbia

Alto

Medio

Basso

Nebbia

90 km

68

57

51

48

32-10

Dimensione particelle [micron]

<0.5

2.7-3.2

3.2-3.8

1.8-32

<0.5

Questa parte non è accessibile attraverso la luce visibile, né nel lato notte, né in quello giorno.

Occorre l’infrarosso !

Cosa osserviamo “da orbita”


Immagine a colori “veri” di Venere Immagine a colori “veri” di Venere acquisita il 19 Aprile 2006 da VIRTIS; e il acquisita il 19 Aprile 2006 da VIRTIS; e il

contrasto ?contrasto ?


Stessa immagine ma nel Blu-UVStessa immagine ma nel Blu-UVIl contrasto è molto migliore a causa dell’assorbitore-UV Il contrasto è molto migliore a causa dell’assorbitore-UV

“sconosciuto”“sconosciuto”


Venere si svela di notte !Venere si svela di notte !Immagine nell’infrarosso (1.7 micron) del lato notte di Venere acquisita il 12 Aprile 2006. La radiazione infrarossa ha la sua origine negli strati molto caldi posti al di sotto delle nubi e modulati dalla presenza delle nubi stesse.

Il segnale registrato molto debole nonostante le alte temperature della sorgente e’ l’indicazione del tentativo estremo del pianeta di lottare contro l’effetto serra.

Osservando l’emissione termica intorno a 5um si puo’ invece misurare la temperatura delle nubi, ad esempio in figura e’ mostrato il vortice polare nella sua configurazione di “dipolo”

Intorno ad 1 micron e’ possibile persino “vedere” la superficie, penetrando la densissima coltre di nubi.

Il “dipolo” è lungo circa 3700 km !


Caratteristiche globali viste nei Caratteristiche globali viste nei raggi ultravioletti, lato giornoraggi ultravioletti, lato giorno

Principali regimi dinamici:

• Equatore -> caotico

• Medie latitudini -> laminare

• Polare -> spiraleggiante

Real time ~8 hours

Nuvole allungate

Vortice polare sud

Regione convettiva

Bande luminose a medie latitudini

Atmosfera bollente di giorno per il riscaldamento solare


Orbita 306

20 Febbraio 2007

Lato notte @ 1.7 μm

Distanza 50000 km circa

Lato notte, simili regioni dinamiche

(ma altitudine diversa)

Atmosfera bollente di notte per l’alta temperatura superficiale


Lato notte


1.74 µm

1

2

3

Orbita 157

Lato notturno, infrarosso

Distanza da 65000 a 37000 km

“Cumuli e temporali” nella notte di Venere

Mini vortice


Occorrono almeno due immagini sovrapposte della stessa zona

Es. orbita 157 da VIRTIS

Lato notte @ 1.7 μm

Distanza da 65000 a 37000 km

Lato notte di Venere: osservare le nubi Lato notte di Venere: osservare le nubi per misurare la velocità dei ventiper misurare la velocità dei venti


e con un “uragano” al polo grande 2700km

Un’atmosfera 60 volte più veloce della parte solida del pianeta, ovvero la super-rotazione

Esempio di venti misurati nella zona equatoriale:

• circa 400 km/h a 70 km altitudine

• circa 200 km/h a 50 km altitudine


Dinamica istantanea interna molto complessaDinamica istantanea interna molto complessa

Vortice polare sud


Il vortice polare e la sua temperaturaIl vortice polare e la sua temperatura

T = -30°C

T = -45°C

T = -60°C

La temperatura nel vortice è la più alta di tutto il pianeta (a parità di altezza): riscaldamento adiabatico

ESA/VIRTIS-VenusX (G. Piccioni)

ESA/VIRTIS-VenusX (A. Cardesin Moinelo)

G. Piccioni et al., Nature 29 November 2007

Clouds top thermal radiation

ESA/VIRTIS-VenusX (A. Cardesin Moinelo)


Uso dei “traccianti” Uso dei “traccianti”

per studiare la dinamicaper studiare la dinamica

e la composizione chimicae la composizione chimica

Es.: Ossigeno in emissione (“nightglow”)Es.: Ossigeno in emissione (“nightglow”)


“Nuvole” di ossigeno nella notte di Venere

Orbita 87, 16 Luglio 2006

Orbita 93, 22 Luglio 2006


Schema del meccanismo di nightglow

130 km

97 km

ESA/VIRTIS-VenusX (R. Hueso)


La “terza” dimensione, ovvero osservare il profilo di un pianeta


Fenomeni luminosi nell’alta atmosferaFenomeni luminosi nell’alta atmosfera

Emissione di Emissione di fluorescenza dell’ fluorescenza dell’ anidride carbonicaanidride carbonica

Luminescenza chimica Luminescenza chimica dell’ossigenodell’ossigeno

(lato diurno)(lato notturno)


Qualche esempio di “in-situ”Qualche esempio di “in-situ”


Uomo sulla LunaUomo sulla Luna


Prime “cartoline panoramiche” di VenerePrime “cartoline panoramiche” di Venere

-13Venera

-14Venera

-14Venera


Prime “cartoline panoramiche” di TitanoPrime “cartoline panoramiche” di Titano


Marte, sonda PhoenixMarte, sonda Phoenix


Marte, sonda SpiritMarte, sonda Spirit


Obiettivo, uomo su Marte ?Obiettivo, uomo su Marte ?


Fine Fine (della presentazione)(della presentazione)

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