SISTEMA SOLARE

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DI LUCA NARDI*

EXTRATERRESTRI

LE SONDE CI HANNO FATTO SCOPRIRE I TEMPORALI DI ALTRI PIANETI MA MOLTI ASPETTI RESTANO ANCORA MISTERIOSI

Alla fine degli anni 70 non erano ancora passati due decenni da quando era iniziata l’esplorazione del nostro sistema planetario. Proprio in quegli anni pionieristici le due sonde Voyager partirono alla volta dei giganti gassosi e ghiacciati, messaggeri terrestri nel Sistema solare esterno. Quando la Voyager 1 compì il suo fly-by di Giove, osservò dei segnali inaspettati provenire dalla sua atmosfera. Erano i primi fulmini extraterrestri.

CRISTALLI DI AMMONIACA

TRA LE NUBI DI GIOVE

La Voyager 1 rilevò dei segnali radio molto diversi in frequenza da quelli terrestri, ma con caratteristiche che ne rivelavano la loro natura. Le sonde Galileo e Cassini osservarono altri segnali radio da fulminazione, ma gli strumenti di queste due missioni erano inadatti per studiarli nel dettaglio. La svolta c’è stata con Juno, la sonda che dal 2016 studia il gigante gassoso. Juno è equipaggiata con il Microwave Radiometer Instrument, uno strumento radio che solo nelle sue prime otto orbite ha osservato ben 377 scariche elettriche. I fulmini gioviani sono simili a quelli terrestri, ma con molte differenze: le loro frequenze radio sono diverse e si verificano per lo più nell’emisfero nord, mentre sulla Terra si verificano soprattutto all’equatore, dove le temperature sono più alte e le masse d’umidità atmosferica sono maggiori. Non sappiamo il motivo di queste differenze: probabilmente dipendono dai diversi meccanismi che guidano la circolazione atmosferica su Giove e sulla Terra. Sul nostro pianeta, un ruolo chiave nella dinamica dell’atmosfera è giocato dalla superficie solida, con la sua topografia e i suoi cicli termici, mentre su Giove una superficie solida non esiste; perciò, la meteorologia è legata soprattutto alla dinamica interna dei gas gioviani e all’interazione tra atmosfera e campo magnetico. Come se non bastasse, su Giove ci sono diverse tipologie di fulmini: alcuni si originano nelle nubi d’acqua nell’atmosfera più profonda; altri si verificano nell’alta atmosfera, in presenza di cristalli di ghiaccio d’ammoniaca e acqua (le cosiddette mushball, “palle di poltiglia”), che potrebbero essere legati a questa tipologia di fulmini, svolgendo un ruolo simile a quello della grandine sulla Terra.

I POTENTI FULMINI DI SATURNO

Nel 2013 la sonda Cassini e vari osservatori terrestri rilevarono intense emissioni radio provenire da Saturno. Era in corso una grande tempesta sul Signore degli anelli, la più intensa mai osservata nel Sistema solare.

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» A sinistra: Un’illustrazione artistica dei fulmini di Giove, basata sui dati della sonda Juno.

Inquadra il QR per un volo simulato tra i fulmini di Giove.

In questa pagina: la grande tempesta formatasi su Saturno nel 2010 e durata parecchi mesi; qui ripresa dalla sonda Cassini il 25 febbraio 2011.

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CHE COSA SONO I FULMINI

Per indagare i fulmini extraterrestri, occorre conoscere quelli terrestri. Perché si formi un fulmine, servono pochi ingredienti. Per cominciare, si devono formare degli accumuli di particelle di carica opposta, che siano tenuti separati tra loro da un mezzo isolante, come l’aria della nostra atmosfera. Occorre che questa separazione sia abbastanza ampia, per creare una sufficiente differenza di potenziale elettrico. Il fulmine è il fenomeno di scarica elettrica tra questi accumuli, un meccanismo che consente alle cariche di passare rapidamente da una parte all’altra della barriera atmosferica con un fenomeno catastrofico. Quando si verifica un fulmine, avvengono emissioni di impulsi di luce alle frequenze visibili (la saetta e il bagliore), ai raggi X, gamma e alle frequenze radio, oltre a impulsi magnetici e acustici (i tuoni). Per rilevare i tuoni e misurare le variazioni del campo magnetico, occorre trovarsi in loco, il che costituisce un problema nel caso di studi da remoto. Tramite le sonde spaziali, dalla distanza orbitale, possiamo quindi tenere traccia delle sole radiazioni, visibili e no, e sono pertanto i lampi di luce che vengono cercati per studiare i fulmini nelle atmosfere degli altri pianeti. I fulmini emettono una parte significativa della loro radiazione alle frequenze radio, tra 1 Hz e i 300 MHz, con un picco tra i 5 e i 10 kHz. Il flusso di elettroni e ioni della scarica attraversa l’aria, riscaldandola a temperature altissime, trasformandola localmente in un plasma. Questo plasma emette energia sotto forma di luce come tutti i corpi caldi, ma in più le sue molecole sono ionizzate e quando tornano allo stato neutro rilasciano l’energia che avevano accumulato sotto forma di radiazione elettromagnetica, sia alle frequenze radio che a quelle visibili e ultraviolette. In assenza di processi che assorbano la radiazione, tutti questi segnali possono essere registrati da remoto dalle sonde spaziali. Anche su Saturno, proprio come su Giove, i fulmini furono rilevati per la prima volta dalla sonda Voyager 1 nel 1980. E, proprio come per Giove, la Voyager 1 osservò unicamente le emissioni radio legate a questi fulmini. I bagliori visibili furono osservati per la prima volta dalla missione Cassini, nel 2009, quando Saturno si trovava vicino al suo equinozio di primavera. Si ritiene che i fulmini saturniani si formino nel livello di nubi d’acqua che si trova oltre i cento chilometri di profondità, dove le condizioni ambientali sono adatte per una formazione dei fulmini con modalità simili a quelle terrestri, ma i segnali radio emessi da questi fulmini possono essere anche 10mila volte più intensi di quelli terrestri. Un aspetto interessante è che, al contrario di quelle gioviane, le tempeste di fulmini su Saturno non sono continuative: possono durare anche per mesi, ma si presentano solo ogni tanto. Nel dicembre 2010, per esempio, la sonda Cassini ha osservato un’intensa tempesta di fulmini nell’emisfero nord di Saturno, associata alla cosiddetta “Grande Macchia Bianca”, una tempesta che si forma ogni anno saturniano attorno ai 35° di latitudine nord.

CHE CI SIA ALMENO UN’ATMOSFERA DECENTE

Senza un’atmosfera, è davvero difficile avere fulmini atmosferici… Quindi, non possiamo avere fulmini sui pianeti rocciosi o sui loro satelliti privi di atmosfera, come la Luna, gli asteroidi o Mercurio, ma anche su quelli che ne hanno troppa poca, come Plutone.

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» L’emisfero notturno di Venere ripreso in infrarosso dalla sonda Akatsuki (che in giapponese significa “alba”) l’11 giugno 2016.

Sugli altri corpi rocciosi, ogni atmosfera fa storia a sé. Titano, la luna più grande di Saturno, ha un’atmosfera piuttosto densa, con una dinamica complessa e delle nubi, ma sembra difficile che vi si possano produrre fulmini, perché le sue nubi sono costituite soprattutto da metano, che non è un buon conduttore. Anche se la questione non è definitivamente risolta, né la sonda Cassini né il suo lander Huygens che è atterrato sulla superficie di Titano, hanno individuato fulmini sulla grande luna di Saturno. Su Marte l’atmosfera c’è, ma è molto debole, forse troppo per poter originare fulmini: sulla superficie, il livello dove la pressione atmosferica è maggiore, la densità è comunque

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un centesimo di quella terrestre sul livello del mare. Non sono quindi mai stati osservati fulmini marziani, ma non è escluso che le turbolenze generate durante le tempeste di polvere, che periodicamente raggiungono proporzioni tali da ricoprire l’intero pianeta, possano generare le cariche necessarie alla produzione di fulmini in modo simile a ciò che avviene durante le eruzioni vulcaniche terrestri. Un discorso simile si potrebbe fare anche per Io, la luna di Giove dominata dalle eruzioni vulcaniche.

I MISTERIOSI WHISTLER DI VENERE

Venere merita un discorso a parte: il pianeta più brillante possiede l’atmosfera più densa tra quelle dei pianeti rocciosi; è quindi lecito aspettarsi fenomeni di fulminazione. Eppure, la presenza di fulmini su Venere resta un’incognita, nonostante le numerose sonde che hanno studiato il pianeta nei decenni passati. All’inizio dell’era spaziale, le missioni sovietiche Venera e la Pioneer Venus Orbiter hanno osservato emissioni radio da Venere che potrebbero essere associate a fulmini. La sonda Venus Express ha osservato e monitorato i cosiddetti whistler, segnali radio della durata di 100 millisecondi che per proprietà e frequenza ricordano i fulmini terrestri. Ma non ne abbiamo

*LUCA NARDI È UN ASTROFISICO E DOTTORANDO IN SCIENZE PLANETARIE ASSOCIATO ALL’INAF, SI OCCUPA DI DIVULGAZIONE E PRODUZIONE DI CONTENUTI SCIENTIFICI SUL WEB.

IN ATTESA DI SONDE PER URANO E NETTUNO

Per quanto concerne i più lontani “giganti ghiacciati” (Urano e Nettuno), ci mancano dati precisi e aggiornati. Durante il fly-by di Urano la Voyager 2, l’unica sonda che abbia mai visitato il settimo pianeta, ha osservato emissioni radio molto simili a quelle osservate dalla Voyager 1 su Saturno. Erano forse tracce di fulmini, ma non ne furono osservati a frequenze visibili. Per Nettuno (figura), la faccenda si fa ancora meno certa: mentre su Urano si osservarono le emissioni di circa 140 eventi di scarica, su Nettuno la Voyager 2 ne osservò soltanto cinque, un numero troppo piccolo per poter affermare qualcosa dal punto di vista statistico e scientifico. Potrebbero essere osservazioni legate a errori di misura, oppure essere originate da altri fenomeni. Questo è solo uno dei tanti misteri che potremmo provare a risolvere inviando nuove sonde spaziali verso questi mondi ghiacciati (vedi Cosmo n. 17).

mai visto neanche uno in maniera chiara e inequivocabile. Neanche la Akatsuki giapponese, che si trova in orbita attorno a Venere dal 2015, ne ha trovato traccia alle frequenze visibili, il che è molto strano. Uno strano bagliore è stato avvistato dalla sonda il 1° marzo 2020, ma così come una rondine non fa primavera, una parvenza di fulmine non fa una tempesta… I fulmini di Venere potrebbero essere un fenomeno raro e localizzato, oppure potrebbero non formarsi affatto, e in tal caso i whistler dovrebbero essere ricondotti a qualche altro fenomeno fisico ancora da scoprire. Forse potremmo imparare qualcosa in più a riguardo con le prossime missioni venusiane in progetto, Davinci+ e Veritas (vedi Cosmo n. 20).

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