Atmosfere PlanetarieAlberto Adriani

Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario

INAF

Conoscenza delle atmosfere planetarie

• L’osservazione, la caratterizzazione e la conoscenza delle atmosfere planetarie è un aspetto chiave dell’esplorazione del nostro sistema solare. Un’atmosfera è l’interfaccia tra il pianeta e l’ambiente esterno attraverso cui avvengono gli scambi di energia.

• Capire come le atmosfere sono formate, come si evolvono e rispondono alle perturbazioni è fondamentale per identificare gli obiettivi a lungo termine per identificare le condizioni che favoriscono la produzione e la sostenibilità dell’attività biologica, gestire gli effetti dell’attività umana rispetto l’atmosfera Terreste e pianificare ed valutare le osservazioni dei pianeti extrasolari.

Stato delle conoscenze

• Possiamo classificare le atmosfere del sistema solare in quattro gruppi:– Atmosfere d’azoto (Terra, Titano, Tritone, Plutone) – Atmosfere d’anidride carbonica (Venere, Marte) – Atmosfere d’idrogeno (Giove, Saturno, Urano, Nettuno) – Atmosfere sottili o esosfere, divisi in 3 sottogruppi in funzione

della superficie che sovrastano: • Superfici rocciose (Mercurio, Luna) • Superfici Vulcaniche (Io) • Superfici si ghiaccio (Europa, Ganimede, Callisto)

Origine delle Atmosfere• Subito dopo la formazione dei pianeti nel nostro sistema solare

le atmosfere primarie inizialmente di idrogeno ed elio si sono evolute diversamente per I pianeti esterni che quelli interni– I pianeti interni includono Venere, Terra, Marte e Mercurio

mentre I pianeti esterni Giove, Saturno, Urano e Nettuno• I pianeti esterni sono stati capaci di trattenere I gas della

nebulosa primordiale grazie alla loro grande massa e alla grande distanza dal sole, i pianeti terrestri non sono stati in grado di trattenere gli elementi più leggeri per la pressione del vento solare e la loro relativamente ridotta massa.

• Le atmosfere dei pianeti interni includono molecole di CO2 (anidride carbonica), H2O (acqua) e N2 (azoto).

• In contrasto le atmosfere dei pianeti esterni hanno ritenuto molecole H2 (idrogeno), He (elio), NH3 (ammoniaca) e CH4 (metano).

Fuga termica

Nomenclatura

• Troposfera• Tropopausa• Stratosfera• Stratopausa• Mesosfera• Mesopausa• Termosfera • Omosfera• Eterosfera • Esosfera• Ionosfera

Il Bilancio Energetico

Il Bilancio Energetico

Il Bilancio Energetico

Il Bilancio Energetico

L’Effetto Serra

• L’effetto serra è controllato dalla quantità di quei gas chiamati appunto gas serra che ostacolano il trasferimento dell’energia nell’atmosfera alle lunghezze d’onda corte, ma la assorbono ritenendola in atmosfera la radiazione a lunghezze d’onda più lunghe, tipiche dell’emissione dl pianeta

• Questi gas sono primariamente H2O, CO2 e CH4. Per Atmosfere come quella di Marte e Venere il CO2 ha il ruolo fondamentale. Sulla Terra, sebbene in CO2 abbia il ruolo primario anche l’H2O e il CH4 hanno una parte significativa (il metano in particolare è in aumento a causa dell’estensivo uso dell’allevamento animale).

• L'effetto della serra attualmente aumenta la temperatura di Venere, della Terra e di Marte delle seguenti quantità:– Marte -> +5°– Terra-> +35°– Venere -> +500°

• Si noti che l'effetto della serra per la Terra è appena sufficiente per mantenerla fuori da un’era glaciale permanente.

• Su Venere, un severo effetto serra lo rende il posto più caldo nel sistema solare.

Azoto (N2): 78,08%Ossigeno (O2): 20,95%Argon (Ar): 0.93%Vapore acqueo (H2O): 0,33%Anidride carbonica (CO2): 0,032%

(320 ppm)Neon (Ne): 0,00181% (18 ppm)Elio (He): 0,0005% (5 ppm)Metano (CH4): 0,0002% (2 ppm)Idrogeno (H2): 0,00005% (0,5 ppm)Kripton (Kr): 0,000011% (0,11 ppm)Xeno (Xe): 0,000008% (0,08 ppm)Ozono (O3): 0,000004% (0,04 ppm)

Sono anche presenti, in tracce, Ossidi di Azoto (NO, NO2; N2O), Monossido di Carbonio (CO), Ammoniaca (NH3), Biossido di Zolfo (SO2), Solfuro di Idrogeno (H2S).

L’Atmosfera terrestre

Il Bilancio Termico

La Circolazione dell’Atmosfera

La Circolazione dell’Atmosfera

I pianeti terrestri a confronto

Mercurio Venere Terra Marte

No Atmosfera Atmosfera spessa Atmosfera Atmosfera sottile Esosfera di CO2 di N2 e O2 di CO2Tsup=-170°C/430°C Tsup= 420°C (media) Tsup=15°C (media) Tsup=-50°C (media)

Il ruolo dell’acqua• L’acqua è la chiave catalitica dell’evoluzione delle atmosfere

secondarie. Sulla terra la temperatura era giusta per la formazione dell’acqua liquida. La CO2 rilasciata dall’outgassing è stata dissolta nell'’acqua portando alla produzione di rocce carbonacee.

• Per la Terra questo ha significato che l’atmosfera è diventata primariamente di azoto con successiva aggiunta dell’ossigeno da parte delle forma viventi.

• Su Venere la CO2 non è stata ridotta ed è rimasta come componente primario dell’atmosfera.

• Su Marte c’è stato un periodo, subito dopo la formazione in cui era presente l’acqua liquida ma la temperatura bassa non ha permesso all’acqua di rimanere liquida che così si è solidificata lasciando la CO2 come componente primaria dell’atmosfera.

Venere• L’atmosfera di Venere è

composta dal 97% di CO2, il 2% di N2 e meno del 1% of O2, H2O e CH4.

• Su Venere la temperatura è troppo calda perché l’acqua condensi.

• La circolazione dell’atmosfera attorno al pianeta è rapidissima (super rotazione).

L’atmosfera di Venere• La pressione alla superficie

raggiunge i 90 bar• L’atmosfera è così densa che

la radiazione luminosa che riesce ad attraversarla è pochissima.

• C’è una sostanziale quantità di acido solforico nella troposfera emessa dai vulcani insieme all’acqua che va a formare le nubi che coprono il pianeta.

L’atmosfera di Marte

• Come per l’atmosfera Venusiana quella marziana è costituita principalmente di CO2

• L’atmosfera è molto rarefatta infatti la pressione al suolo è solo di circa 7 hPa

• La pressione alla superficie è controllata dalla sublimazione e dalla condensazione delle calotte polari

L’atmosfera di Marte•Tempesta di sabbia del 2001•Estensione globale•Auto-sostentamento delle tempesta: la polvere assorbe la luce del sole, questo riscalda l’atmosfera, aumenta della velocità del vento, sollevamento di altra polvere•Le tempeste iniziano sempre nell’estate dell’emisfero sud

Mercurio e Luna• La Luna e Mercurio sono molto simili e hanno

solo delle sottilissime atmosfere dette esosfere che sono create dall’interazione tra la superficie e le meteore o gli atomi del sole e dall’outgassing della loro crosta

• Un’emissione di atomi di sodio atomi di sodio e’ stata misurata sia alla luna che a Mercurio .

• Una grossa parte dell’atmosfera di mercurio si costituisce grazie alla cattura del vento solare dal sole.

• Sebbene questi gas del vento solare come Sebbene questi gas del vento solare come idrogeno ed elio sfuggono facilmente da idrogeno ed elio sfuggono facilmente da Mercurio a causa della bassa gravità e Mercurio a causa della bassa gravità e dell’alta temperatura la continua cattura dell’alta temperatura la continua cattura permette di sostenere la presenza permette di sostenere la presenza dell’esosfera.dell’esosfera.

Le atmosfere dei giganti gassosi

• Le atmosfere di idrogeno (H2) e elio (He) dei pianeti giganti riflettono la composizione chimica del Sole, poichè I campi gravitazionali di questi pianeti sono abbastanza forti da aver prevenuto la fuga dell’idrogeno dal tempo della loro formazione all’interno della nebulosa solare.

Atmosferadi

Giove

Composizione e

Struttura

Atmosfera gioviana

• L’atmosfera si fonde con gli strati sottostanti d’idrogeno liquido dato che non esiste una superficie solida.

• Le colorazioni dell’atmosfera sono il risultato della presenza in tracce di costituenti chimici come lo zolfo ed il fosforo ed un complesso modello di circolazione. – Le fasce sono le regioni che appaiono più scure e tendono a

sprofondare perché il gas è freddo e mentre le zonezone sono composte di gas più caldo che tende a salire in un moto convettivo.

– Queste regioni sono “stirate” tutte intorno a Giove a causa della sua forte velocità di rotazione.

Circolazione Atmosferica

• La La Turbolenza Turbolenza al confine tra fasce e al confine tra fasce e zone porta alla formazione di grossi zone porta alla formazione di grossi vortici come gli uragani sulla Terravortici come gli uragani sulla Terra.

• La Grande Macchia RossaGrande Macchia Rossa è un esempio di questi vortici. Questi possono persistere molti anni decenni o forse secoli perché su Giove non esistono le masse continentali che disturbano I flussi di masse d’aria che li hanno generati.

Saturno• I principali componenti

dell’atmosfera di Saturno sono, in volume: idrogeno (96.7%), elio (3%), metano (0.2%), ammoniaca (0.02%) e vapor d’acqua (concentrazione stimata 0.4%).

• Tracce di etano, fosfina, acetilene e altri componenti in quantità minori sono stati osservati.

• La struttura dinamica è molto simile a quella gioviana.

Urano e Nettuno• Urano e Nettuno hanno spessi strati di nubi ma l’atmosfera di Urano

non ha bande prominenti o vortici come si vedono negli altri pianeti gioviani.

• Questo perché Urano non ha un interno molto caldo quindi non ha moti convettivi evidenti nell’atmosfera.

• Le nubi di Nettuno sono deflesse a formare bande parallele nelle deflesse a formare bande parallele nelle fascia equatoriale a causa della rapida rotazionefascia equatoriale a causa della rapida rotazione. Nettuno presenta anche dei vortici turbolenti come Saturno o Giove.

• Quando la navicella Voyager è passata vicino nettuno nel 1989 trovo un grosso vortice, chiamato il Grande Vortice Scuro, che aveva circa le dimensioni di quello rosso su Giove. Tuttavia il telescopio Hubble non lo ha osservato recentemente e quindi si deve essere dissipato.

Urano e Nettuno

L’ atmosfera di Titano • Titano ha una delle atmosfere più spesse del sistema solare

(seconda solo a Venere). La sua atmosfera è costituita di azoto con un 2-3% di metano ed un 4% di Argon.

• Poiché L’atmosfera di Titano è molto fredda vi si formano nubi di metano. Il metano gioca su Titano lo stesso ruolo che . Il metano gioca su Titano lo stesso ruolo che l’acqua gioca nell’atmosfera terrestre. l’acqua gioca nell’atmosfera terrestre.

• Molti idrocarburi sono presenti nell’atmosfera di Titano come Molti idrocarburi sono presenti nell’atmosfera di Titano come etano , acetilene e propano. L’interazione con la radiazione etano , acetilene e propano. L’interazione con la radiazione solare e la chimica di queste specie arricchiscono la famiglia di solare e la chimica di queste specie arricchiscono la famiglia di composti con decine di costituenti minoritaricomposti con decine di costituenti minoritari.

• Gl’idrocarburi si uniscono insieme a formare catene di polimeri. Questi rimangono in sospensione nell’atmosfera e formano l’aerosol che è quello che fornisce la colorazione rossiccia al pianeta. Queste particelle sono l’equivalente dello smog sulla Terra

Titano• L’atmosfera di Titano é la

sola atmosfera del sistema solare uguale a quella terrestre per costituente principale: l’azoto. La pressione al suolo è di 1.4 bar e la temperatura intorno ai 90K.