Parte quinta Cap. XII. Cenni sul magnetismo degli astri del Sistema Solare Considerazioni di pura logica portavano da tempo a ipotizzare che altri astri del Sistema Solare, specialmente quelli più simili alla Terra, potessero avere un loro campo magnetico, probabilmente analogo a quello terrestre; tuttavia, le prime evidenze sperimentali a supporto di questa ipotesi arrivarono soltanto nel 1955, quando certe osservazioni effettuate con radiotelescopi misero in evidenza l esistenza di un campo magnetico di Giove. Pochi anni dopo, con l avvento della cosiddetta era spaziale (1957) molte altre informazioni sul magnetismo dei pianeti e della Luna furono acquisite mediante strumenti di misurazione in particolare, strumenti magnetometrici portati da veicoli spaziali in prossimità dei vari astri e anche ma finora (2000) soltanto per la Luna posati sulla superficie di essi. Dai dati finora raccolti è possibile tracciare un quadro sul magnetismo del Sistema Solare, come tale intendendo il magnetismo in generale di tutti i corpi del Sistema Solare. Al tracciamento sintetico di questo quadro premettiamo la tab. XII-1, nella quale sono riportati i dati astronomici e fisici fondamentali dei pianeti solari. TAB. XII-1 - PRINCIPALI DATI SUI PIANETI SOLARI Dati orbitali Distanza dal Sole[UA] Distanza dal Sole [milioni di km] Periodo orbitale [anni] Eccentricità dell orbita Inclinazione su eclittica [ ] Mercurio 0,387 57,894 4 0,240 85 0,205 63 7,004 Venere 0,723 108,159 0,615 21 0,006 793 3,394 Terra 1,000 149,598 1,000 0 0,016 726 0,0 Marte 1,524 227,987 1,880 9 0,093 368 1,850 Giove 5,203 778,358 11,862 0,048 435 1,305 Saturno 9,539 1.427,01 29,458 0,055 682 2,490 Urano 19,182 2.869,59 84,013 0,047 209 0,773 Nettuno 30,058 4.496,62 164,79 0,008 575 1,774 Plutone 39,439 5.899,96 247,69 0,250 24 17,17 Dati fisici Massa Raggio equatoriale Massa volumica Periodo siderale di Inclinaz. equat. [10 24 kg] [km] media [kg dm -3 ] rotazione* [giorni] sull orbita [ ] Mercurio 0,3302 2.439 5,43 58,65 0,0 Venere 4,869 6.052 5,24 243,0 177,3 Terra 5,974 6.378 5,52 0,997 3 23,45 Marte 0,6419 3.393 3,94 1,026 25,19 Giove 1898,8 71.492 1,33 0,413 5 3,120 Saturno 568,5 60.000 0,70 0,437 5 26,73 Urano 86,63 25.400 1,30 0,718 3 97,86 Nettuno 102,78 24.300 1,76 0,7680 29,56 Plutone 0,015 1.500 1,10 6,386 118,0? (*) Il segno meno indica che il moto orbitale è retrogrado. Ciò premesso, richiamiamo alcune nozioni acquisite sul magnetismo nel Sistema Solare. 1
La Luna Le prime osservazioni magnetometriche dallo spazio (1962-67) mostrarono che la Luna non ha un suo campo magnetico; grande fu perciò la sorpresa quando, con le missioni lunari da Apollo 11 (luglio 1969) ad Apollo 17 (dicembre 1972), prima furono raccolti sulla Luna campioni di rocce magnetizzate, di età geologica tra 3 e 3,9 miliardi di anni, e poi misure con magnetometri mostrarono che esisteva un magnetismo di tipo superficiale, analogo a quello che sulla Terra chiamiamo campo crostale. Ciò è attualmente spiegato ammettendo che la Luna abbia avuto una prima fase della sua vita, quando il suo nucleo era ancora ben caldo e fluido, con un suo proprio magnetismo nucleare generatosi con un meccanismo analogo a quello tuttora in atto nel nucleo esterno fluido della Terra; ancora analogamente a quello che è successo e sta succedendo sul nostro pianeta, quel campo nucleare avrebbe magnetizzato le rocce della crosta superficiale, le quali sarebbero rimaste magnetizzate anche al successivo venire meno del campo nucleare a causa del raffreddamento e conseguente irrigidimento del nucleo medesimo. Mercurio Si tratta del più piccolo dei pianeti, con un raggio intermedio tra quello di Marte e quello della Luna; la sua superficie presenta molte somiglianze con quella della Luna, soprattutto per l abbondante presenza di crateri da impatti meteorici, ma la somiglianza si ferma qui, data la grande dissimiglianza dei parametri orbitali e fisici. Infatti, a differenza della Luna, Mercurio ha un magnetismo proprio; questo fu osservato la prima volta nel marzo 1974, quando la sonda Mercury I, lanciata dal veicolo spaziale statunitense Mariner 10, si avvicinò al pianeta, dalla parte in ombra, fino a una distanza minima di 723 km, rilevando un campo magnetico di tipo quasi dipolare, con intensità dell ordine di 100 nt (un anno dopo, la sonda Mercury III misurò, da una distanza minore, un intensità di 400 nt). L accurato esame dei dati disponibili ha mostrato che la struttura del campo magnetico di Mercurio è analoga a quella del CMT: un campo quasi dipolare, strutturato dall interazione con il vento solare in una magnetosfera compressa, come quella terrestre, nella direzione del Sole e fortemente allungata nella direzione opposta.; è stato stimato un momento magnetico dipolare di 3,4 10 19 A m 2 (contro i circa 8 10 22 A m 2 del momento magnetico dipolare attuale della Terra). Venere È il pianeta più vicino alla Terra, anche per le dimensioni; i parametri orbitali sono invece assai differenti, specialmente per la rotazione, che è lentissima (un giorno venusiano dura 243 giorni terrestri); anche le condizioni fisiche della superficie e dell atmosfera sono assai differenti da quelle terrestri (temperatura al suolo dell ordine di 480 C). Fu presto riconosciuta l esistenza di un campo magnetico proprio; le prime misure di questo campo furono ottenute nel dicembre1962, mediante un magnetometro flux-gate portato dal Mariner 2 fino a una distanza di circa 34.000 km dalla superficie del pianeta; tra le esplorazioni immediatamente successive, sono da ricordare specialmente quelle effettuate dalle sonde sovietiche della serie Venus (la 4 e la 5 nell ottobre 1967, la 9 e la 10 nell ottobre 1975) e dalla sonda statunitense Pioneer Venus Orbiter, che nel 2
dicembre 1978 s inserì in un orbita fortemente ellittica intorno al pianeta, tra 150 e 73.000 km dalla sua superficie. In sintesi, Venere possiede un campo magnetico e una magnetosfera di tipo terrestre, ma con un momento magnetico dipolare estremamente minore, dell ordine di 3,2 10 18 A m 2, come dire dell ordine di 4 10-5 quello terrestre.. Marte È un pianeta che come dimensioni è intermedio tra la Terra e Mercurio, me ne differisce assai per il valore medio della massa volumica, o densità materiale che dir si voglia, che è soltanto di 3,94 kg/dm 3 contro, rispettivamente, 5,52 e 5,23 kg/dm 3. Ha un campo magnetico proprio, che fu misurato per la prima volta da Mariner 4 nel 1965; fu poi investigato a fondo dalle sonde sovietiche della serie Mars, che furono poste in orbita intorno ad esso (la 2 e la 3 nel novembre e nel dicembre 1971, e la 5 nel febbraio 1974). La situazione del campo magnetico di Marte è simile a quella per Mercurio e Venere, nel senso che anche qui la struttura generale è simile a quella terrestre (magnetosfera caudata, ecc.), ma l intensità è decisamente inferiore; precisamente, posto che il periodo della rotazione è quasi uguale a quello terrestre e che le dimensioni del nucleo fluido dovrebbero essere comparabili con quelle di Mercurio, per il momento magnetico dipolare di Marte ci si attenderebbe un valore intermedio tra quelli di Mercurio (circa 3 10 18 A m 2 ) e della Terra (circa 8 10 22 A m 2 ); il valore misurato è dell ordine di 1,8 10 19 A m 2, quindi minore di quello atteso. Giove Si tratta del pianeta solare di gran lunga più grande (raggio di quasi 71.500 km) e con la rotazione più rapida (periodo di 9 h 55 m 29,7 s ); si differenzia nettamente dai tre precedenti e dalla Terra per il fatto di essere costituito principalmente da idrogeno liquido ed elio liquidi e, alle grandi profondità, solidi, sovrastati da un atmosfera di idrogeno, e quindi con una massa specifica piuttosto piccola (1,33 kg/dm 3 ). Il campo magnetico di Giove fu misurato per la prima volta dalla sonda statunitense Pioneer 10, che nel dicembre 1974 passò a circa 210.000 km (circa 2,9 raggi gioviani) dal centro del pianeta; altre misurazioni furono effettuate da Pioneer 11, sempre nel dicembre 1974, e poi da Voyager 1 nel marzo 1979 e Voyager 2 nel luglio dello stesso anno; da queste misurazioni si è ricavato per il momento magnetico dipolare un valore dell ordine di ben 1,20 10 26 A m 2, circa 1500 volte maggiore di quello della Terra, e per il campo una struttura di tipo terrestre, cioè dipolare e a magnetosfera caudata. L asse del momento dipolare è, come per la Terra, inclinato di (5-10) rispetto all asse di rotazione, ma, a differenza che nella Terra, non passa per il centro del pianeta, il che ha costituito una vera sorpresa; la quasi coincidenza tra asse di rotazione e asse magnetico costituisce infatti uno dei punti fermi della teoria, derivata da quella del modello della dinamo terrestre di Bullard, con cui cominciò ad essere spiegata l origine del campo magnetico nucleare della Terra (par. IX.2). Saturno 3
Segue Giove nella classifica dei pianeti solari in base alle dimensioni e ha con Giove molte somiglianze, a cominciare dalla modesta densità materiale, che è addirittura circa la metà di quella gioviana, e per quanto riguarda la costituzione, che, come per tutti i cosiddetti pianeti maggiori (Giove, Saturno, Urano e Nettuno), è basata su idrogeno ed elio liquidi e solidi. Un altra analogia con Giove è che anche le prime indicazioni su un magnetismo di Saturno furono derivate da osservazioni dalla Terra di certe emissioni radio dal pianeta; le prime osservazioni magnetometriche furono ottenute quando la sonda Pioneer 11 passò, i1 l settembre 1979, a circa 24.000 km dalla superficie di Saturno; successive misurazioni furono quelle con Voyager 1 (22 agosto 1980, a circa 120.000 km dalla superficie) e Voyager 2 (26 agosto 1981, a circa 102.000 km). Il campo magnetico di Saturno è risultato con le caratteristiche di massima degli altri campi planetari, ma con alcune particolarità: (a) in primo luogo, l intensità è assai maggiore di quella rilevata per gli altri pianeti (Giove escluso); il momento magnetico dipolare è dell ordine di 4.6 10 25 A m 2, il che porta a un intensità all equatore di circa 20.000 nt (circa 30.000 nt è quella per la Terra); (b) il campo di Saturno ha una grande purezza spettrale, con ciò intendendo il fatto che nell analisi armonica di esso il termine di dipolo è rispetto a quello di quadripolo molto maggiore di quello che accade per altri pianeti, il rapporto tra il termine quadripolare e quello dipolare essendo dell ordine di 0,07, contro 0,14 per la Terra; (c) il momento dipolare è inclinato di meno di 1 sull asse di rotazione, cioè assai meno degli altri pianeti (circa 11 la Terra; circa 10 Giove; assai di più Urano, circa 60 ). Urano Le prime misure magnetometriche furono ottenute con la sonda Voyager 2, che 1l 24 gennaio 1986 passò a circa 107.000 km dal centro del pianeta, rilevando l onda d urto del vento solare sulla magnetosfera e la solita forma caudata di quest ultima. L induzione all equatore è dell ordine di 23.000 nt, cioè dell ordine di quella che si ha all equatore terrestre, ma il momento magnetico dipolare è dell ordine di 4,0 10 24 A m 2, circa 50 volte quello terrestre; la circostanza più singolare è però data dalla grande inclinazione dell asse del momento rispetto all asse di rotazione, che è dell ordine di ben 60 ; inoltre, come per Giove, il centro di questo momento non coincide col centro del pianeta. Nettuno e Plutone Questi due pianeti hanno un magnetismo proprio con caratteristiche simili, all incirca, a quelle del pianeta esterno ad essi più vicino, cioè Urano; in particolare, condividono con Urano le caratteristiche di avere una forte inclinazione tra momento magnetico dipolare e asse di rotazione, e la non coincidenza del centro del momento col centro del pianeta. Non disponiamo ancora di un sufficiente numero di attendibili misure magnetiche per quanto riguarda l induzione del campo. Altri astri solari Gli unici corpi per i quali si può dire qualcosa relativamente al loro magnetismo sono: 4
a) Io, V satellite di Giove: è tra i quattro maggiori satelliti di Giove, con un raggio di 1815 km, e gli si attribuisce un momento dipolare di circa 6,5 10 19 A m 2, antiparallelo a quello di Giove (presumibile inversione dell uno o dell altro); b) Titano, XIV satellite di Saturno: è il più grande satellite di Saturno, con un raggio di 2575 km (quasi uguale a quello di Mercurio), e non mostra di possedere un magnetismo proprio. 5
Osservazione conclusiva Sintetizziamo nella seguente tab. XII-2 i dati magnetici degli astri del Sistema Solare richiamati in precedenza. TAB. XII-2 - PRINCIPALI DATI MAGNETICI DI ASTRI DEL SISTEMA SOLARE Astro M [A m 2 ] M/M T Altre caratteristiche Mercurio 3,0 10 19 3,8 10-4 Campo magnetico di tipo terrestre (CMt), debole Venere 3,0 10 18 3,8 10-5 Debole CMt Terra M T = 8,0 10 22 1,00 Luna 0 Magnetismo non attivo, residuo magnetismo crostale Marte 1,8 10 19 2,3 10-4 Debole CMt Giove 1,2 10 26 1.500 Intenso CMt, asse dipolare fuori centro Io 6,5 10 19 8,1 10-4 CMt, momento dipolare antiparallelo rispetto a Giove Saturno 4,0 10 25 500 Intenso CMt, qu asi puro dipolare, poco inclinato Titano 0 Assenza di magnetismo proprio Urano 4,0 10 24 50 Intenso CMt, moltissimo inclinato ed eccentrico Nettuno (pochi dati) CMt, simile a quello di Urano Plutone (pochi dati) CMt, simile a quello di Urano Le missioni di esplorazione spaziale che sono in continuo svolgimento accrescono continuamente le informazioni quantitative sul magnetismo dei corpi del Sistema Solare. Come ben mostra il sintetico panorama fornito sopra, le nostre conoscenze al riguardo sono ancora piuttosto lacunose; anche le ipotesi e le teorie che sono state avanzate per spiegare certe particolarità osservate presentano una notevole aleatorietà, in quanto un grave ostacolo al loro sviluppo è costituito dalla scarsa, e in certi casi nulla, conoscenza della costituzione interna dei detti corpi. Un fatto molto importante è che il magnetismo proprio è presente in quasi tutti gli astri considerati e, a parte certi particolari, ripete la struttura di quello terrestre; ciò porta a pensare che la Terra può essere utilizzata come una sorta di laboratorio del magnetismo generale nel Sistema Solare, nel senso che ogni acquisizione nella fisica terrestre, e in particolare nel geomagnetismo, potrebbe essere estesa, in linea di principio, ad altri astri planetari del Sistema Solare. Come è già capitato per la Terra, le indispensabili informazioni sulla struttura degli altri pianeti potranno venire da stazioni di misurazioni fisiche, e in particolare sismologiche, installate in loco; si potranno così spiegare le particolarità segnalate nella tabella per i cosiddetti pianeti maggiori (Giove, Saturno, Urano e Nettuno) e specialmente l eccentricità e l inclinazione dell asse magnetico dipolare, le quali per il momento non s inquadrano nella teoria del geomagnetismo terrestre e non hanno quindi alcuna spiegazione. 6