Campi magnetici e struttura interna dei pianeti

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1 Campi magnetici e struttura interna dei pianeti Primo Levi 2013 Bedogni Roberto INAF Osservatorio Astronomico di Bologna roberto.bedogni@oabo.inaf.it

2 Sole-attivit attività solare-terra

3 Parametri fisici del Sole Il Sole nella riga H α Distanza dalla Terra (km) =149 = km Massa (kg) = 1, Massa = M T Raggio equatoriale (km) = Raggio equatoriale = 109 R T Periodo di rotazione (giorni) = g Densità media (kg/m 3 ) = 1410 Velocità di fuga (km/sec) = 618 Accelerazione di gravità (m/sec 2 ) = 274 Temperatura superficiale ( K)( = 5780 Luminosità (J/s) = 3, Magnitudine visuale = -26,8 Magnitudine assoluta bol. = 4,74 Età (miliardi di anni) = 4,55

4 Struttura interna ed atmosfera del Sole Zona Zone e meccanismi di trasporto dell energia energia R/R(0) Nucleo 0,0 0,25 Inviluppo Radiativo Inviluppo Convettivo ~ 0,25 0,85 Temperatura T ( o C) ~ ~ Densità ρ (g/cm 3 ) Trasporto di energia ~ Radiativo ~ 10 0,01 Radiativo ~ 0,85 0,99 ~ < 0,01 Convettivo Fotosfera Cromosfera 1-1,021,02 Corona solare > 1,

5 Eruzioni cromosferiche Sonda SOHO immagine composta (171 Å, 195 Å and 284 Å) maggio 1998

6 Sonda Soho 304 Å (UV) Protuberanze solari

7 Vento Solare Magnetosfera terrestre le fasce di Van Allen

8 Caratteristiche del Vento Solare Velocità di flusso v p Tabella 1-Parametrici tipici del vento solare ad 1U.A. 350 km/s Densità dei protoni n p 9 cm -3 Densità di flusso n p v p cm -2 s -1 Composizione 96% protoni, 4 % ioni di He + ed un adeguato numero di elettroni in modo da mantenere la quasi neutralità elettrica Temperatura dei protoni T p Temperatura elettronica T e Campo magnetico B K 1, K 4 nt

9 Aurore polari

10 I colori dell Aurora Le collisioni delle particelle del vento solare con gli atomi e molecole dell atmosfera producono la luce delle Aurore. Gli atomi di ossigeno emettono luce rossa (> 200 km) o verde. Gli atomi di azoto emettono luce blu. Le molecole di azoto emettono luce violetta (< 100 Km).

11 Origine delle macchie solari ed inversione del campo magnetico macchia Riscaldamento La nascita di una macchia è la manifestazione più appariscente dell affioramento di un tubo di flusso del campo magnetico, che determina un blocco del riscaldamento dal basso della fotosfera. La polarità del campo magnetico solare si inverte durante il ciclo (11 anni) delle macchie

12 TSI-Total Total Solar Irradiance (Costante Solare)

13 Misure della Radianza Solare

14 Il campo magnetico interplanetario

15 Il Vento Solare ai confini del Sistema solare

16 Il campo magnetico interplanetario

17 Voyager 1 e 2 ai confini del Sistema solare

21 Campi magnetici planetari elettromagnetismo nei mezzi continui

22 Tesla flusso del campo magnetico 1 Tesla=1V s/m 2 =1 N/Am=1Wb/m 2 =1kg/As 2= 1kg/C s=1ns/c m dove A=Ampere, C=coulomb, Kg=chilogrammo, M=metro, N=newton s=secondo, T=tesla, V=volt, Wb=Weber, W=Watt 1. nello spazio intergalattico è tra T e 10 8 T; 2. sulla Terra, alla latitudine di 50 è T mentre all'equatore, alla latitudine di 0 è 3, T; 3. in un grosso magnete a forma di ferro di cavallo è 10 2 T; 4. in una macchina per imaging con risonanza magnetica nucleare (MRI) è 1,5 T; 5. in una macchia solare è 0,1 T; 6. il più forte campo magnetico continuo finora prodotto in laboratorio è 25 T. 7. in una stella di neutroni (pulsar) è da 10 6 T a T; 8. la densità massima teorizzata del flusso magnetico di una stella di neutroni (il corpo conosciuto con le maggiori emissioni magnetiche) è T; 9. il campo magnetico del cervello umano va da 0.1 a 1.0 pt (pico Tesla = Tesla)

23 Dinamo Planetaria La produzione di una dinamo planetaria si ha per induzione elettromagnetica. La creazione di una forza elettromagnetica con le correnti elettriche associate e della creazione di un campo elettro-magnetico può essere vista come la conseguenza del moto di un fluido con conduzione attraverso le linee di forza del campo magnetico stesso. Questo viene espresso con la combinazione della legge di Ohm, della legge di Ampere combinate insieme con la legge di Faraday della induzione : B/ t = λ 2 B + x (v x B)= 0 Con B= campo magnetico, v= velocità del fluido e λ= 1/(μ 0 σ) è la diffusività magnetica [con σ= conducibilità elettrica in S/m dove S=Siemens (unità MKS)] e μ 0 = permeabilità magnetica (NB le quantità sottoscritte sono vettori) Se il fluido non è in moto cioè v=0 il campo magnetico decade in un tempo breve e la dinamo si blocca

24 Dinamo Planetaria-conducibilità e rotazione Una dinamo planetaria sorge dalla convenzione termica e/o convezione composizionale in regioni di fluido estese. Importante è la conducibilità elettrica da valori analoghi a quelli dei metalli sino a qualche per cento del valore metallico. In tutti i pianeti con nuclei liquidi la forza di Coriolis (rotazione planetaria) è essenziale nel sostenere il campo magnetico

25 Pianeti terrestri La conducibilità elettrica del fluido nel nucleo del pianeta è, insieme alla rotazione del pianeta stesso, la chiave per la produzione della dinamo planetaria. Pianeti terrestri la conducibilità elettrica corrisponde a quella del ferro metallico liquido miscelato con altri elementi (ad es. lo zolfo). In questo caso la conducibilità elettrica è σ S/m mentre la diffusività magnetica λ 2 m 2 /sec a seconda della pressione e della composizione assunta

26 Pianeti giganti Pianeti Giganti (da esperimenti) si pensa a idrogeno metallico a bassa conduttività elettrica σ da a S/m e diffusività magnetica λ da 5 a 50 m 2 /sec con una pressione molto alta P 1,5 Megabar ed una temperatura T migliaia di gradi Celsius Queste condizioni si verificano a 0,8 raggi di Giove (per Giove) ed a 0,5 raggi di Saturno (per Saturno) Per Urano e Nettuno si pensa invece a misture ghiacciate con la conducibilità elettrica σ circa e la diffusività magnetica λ 100 m 2 /sec a 0,7 raggi

27 Dinamo planetaria e pianeti Hanno dinamo : Terra,Ganimede,Giove,Saturno,Urano,Nettuno e forse Mercurio Marte ha un residuo di magnetismo da un antico meccanismo di dinamo, analogamente si pensa possa averlo avuto la Luna Venere non ha, oggi, un campo magnetico ma non è escluso possa averlo avuto nel passato. Europa e Callisto hanno dei campi magnetici indotti causati dalla presenza di un oceano d acqua nel loro interno.

28 Mercurio Campo magnetico in Tesla commenti Ora Messenger Venere < 10-8 Assenza di dinamo-piccoli resti Terra Campi magnetici dei corpi del Sistema solare Dinamo nel nucleo Luna Dinamo primordiale? Marte Dinamo primordiale forte paleomagnetismo Giove 4,2 10 Dinamo tilt di tipo terrestre Saturno 2 10 Dinamo (incertezza sulla profondità) Assisimmetrico Urano 2 10 Dinamo grande spostamento in dipolo e quadrupolo Nettuno 2 10 Dinamo grande spostamento in dipolo e quadrupolo Europa 10-7 Campo magnetico indotto (oceano di acqua salata) Titano < 10-7 Senza dinamo

29 Struttura interna dei pianeti

30 Struttura interna dei pianeti

31 Mercurio

32 Struttura interna di Mercurio

33 Campo magnetico di Mercurio Oltre ad essere il pianeta più ricco di ferro è, insieme alla Terra, l'unico che possiede un campo magnetico dipolare, di intensità pari a circa 1/6 di quella terrestre che indicherebbe l'esistenza di un nucleo fluido elettricamente conduttore. Spessore - (km) Crosta esterna -- Mantello 600 roccioso Nucleo di Ferro e 1800 Nichel Sembra paradossale che un pianeta così vecchio e tale da avere un nucleo quasi già "solidificato" e "freddo" possa dare luogo ad un campo magnetico. Infatti i campi magnetici dei pianeti sono generati dalla presenza di un nucleo "fuso" che ruota rapidamente. La spiegazione potrebbe consistere nel fatto che nel nucleo rimangano ancora alcune "impurità" che lo mantengono parzialmente fuso ad una temperatura inferiore al punto di fusione del ferro.

34 Magnetosfera di Mercurio-Messenger

35 Venere

36 Struttura interna di Venere - Spessore (km) Crosta esterna 60 Mantello roccioso 3050 Nucleo di metallo 2940

37 Campo magnetico di venere Dalla sonda Magellano il magnetometro ha misurato un campo magnetico 0, più debole di quello terrestre. Perché Venere non ha un campo magnetico? Rotazione lenta (oggi), ma in effetti questo fatto non è vincolante! Forse Venere aveva un campo dipolare come quello terrestre nel primo miliardo di anni. Dopo la dissipazione del calore interno a causa dell assenza di moti convettivi il campo è andato spegnendosi. La solo traccia oggi presente è data dall interazione del vento solare con l alta atmosfera di venere che causa una debole corrente elettrica a sua volta sorgente di una debolissimo campo magnetico. Altra ipotesi rimodellamento superficiale circa 700 milioni di anni fa

38 Venere sputtering dal vento solare senza campo magnetico evapora il vapor d acqua

39 Marte

40 Mappa di Marte Sonda Viking orbiter

41 Struttura interna di Marte - Spessore (km) Crosta 100 Mantello di Silicati 1800 Nucleo di Ferro e Solfuro di Ferro 1500

42 Struttura interna di Marte - Spessore (km) Crosta 100 Mantello di Silicati 1800 Nucleo di Ferro e Solfuro di Ferro 1500

43 Struttura interna di Marte

44 Campo magnetico crostale di Marte Marte Tesla Dinamo primordiale forte paleomagnetismo Residuo paleomagnetico su Marte

45 Pianeti esterni giganti gassosi

46 Struttura interna dei pianeti giganti

47 Campi magnetici di Giove e Saturno Giove 4, Tesla Dinamo tilt di tipo terrestre Saturno Tesla Dinamo (incertezza sulla profondità) Assisimmetrico

48 Campi magnetici di Urano e Nettuno Urano Nettuno Tesla Dinamo grande spostamento in dipolo e quadrupolo Tesla Dinamo grande spostamento in dipolo e quadrupolo

49 Giove

50 Struttura interna di Giove

51 Struttura interna di Giove

52 Campo magnetico di Giove

53 Campo magnetico di Giove ed emissione radio

54 Europa un satellite di ghiaccio Sonda Galileo

55 Saturno

56 Struttura interna di Saturno

57 Urano

58 Struttura interna di Urano

59 Nettuno

60 Struttura interna di Nettuno