Parte quinta - Dipartimento di Fisica

Cap. XII - Cenni sul magnetismo degli astri del Sistema Solare
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 - P RINCIPALI DATI SUI PIANETI SOLARI
Dati orbitali
Mercurio
Venere
Terra
Marte
Giove
Saturno
Urano
Nettuno
Plutone
Distanza Distanza dal Sole
dal Sole[UA] [milioni di km]
0,387
57,894 4
0,723
108,159
1,000
149,598
1,524
227,987
5,203
778,358
9,539
1.427,01
19,182
2.869,59
30,058
4.496,62
39,439
5.899,96
Periodo orbitale
[anni]
0,240 85
0,615 21
1,000 0
1,880 9
11,862
29,458
84,013
164,79
247,69
Eccentricità
dell’orbita
0,205 63
0,006 793
0,016 726
0,093 368
0,048 435
0,055 682
0,047 209
0,008 575
0,250 24
Inclinazione su
eclittica [°]
7,004
3,394
0,0
1,850
1,305
2,490
0,773
1,774
17,17
Dati fisici
Massa
Raggio equato- Massa volumica Periodo siderale di
[1024 kg] riale
[km]
media [kg dm -3] rotazione* [giorni]
Mercurio
0,3302
2.439
5,43
58,65
Venere
4,869
6.052
5,24
−243,0
Terra
5,974
6.378
5,52
0,997 3
Marte
0,6419
3.393
3,94
1,026
Giove
1898,8
71.492
1,33
0,413 5
Saturno
568,5
60.000
0,70
0,437 5
Urano
86,63
25.400
1,30
−0,718 3
Nettuno
102,78
24.300
1,76
0,7680
Plutone
0,015
1.500
1,10
−6,386
(*) Il segno meno indica che il moto orbitale è retrogrado.
Inclinaz. equat.
sull’orbita [°]
0,0
177,3
23,45
25,19
3,120
26,73
97,86
29,56
118,0 ?
Ciò premesso, richiamiamo alcune nozioni acquisite sul magnetismo nel Sistema Solare.
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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 1019 A m2 (contro i
circa 8 1022 A m2 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
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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 1018 A m2, 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/dm3 contro, rispettivamente, 5,52 e 5,23 kg/dm3. 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 1018 A m 2) e della Terra (circa 8 1022 A m 2); il valore misurato è
dell’ordine di 1,8 1019 A m2, 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 9h55m29,7s); 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/dm3). 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 m2, 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
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Cap. XII - Cenni sul magnetismo degli astri del Sistema Solare
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 m2, 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:
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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 1019 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.
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Osservazione conclusiva
Sintetizziamo nella seguente tab. XII-2 i dati magnetici degli astri del Sistema Solare
richiamati in precedenza.
T AB. XII-2 - P RINCIPALI DATI MAGNETICI DI ASTRI DEL SISTEMA SOLARE
Astro
Mercurio
Venere
Terra
Luna
Marte
Giove
Io
Saturno
Titano
Urano
Nettuno
Plutone
[A m2]
3,0 10 19
3,0 10 18
MT = 8,0 1022
0
1,8 10 19
1,2 10 26
6,5 10 19
4,0 10 25
0
4,0 10 24
(pochi dati)
(pochi dati)
M
M/MT
3,8 10-4
3,8 10-5
1,00
2,3 10-4
1.500
8,1 10-4
500
50
Altre caratteristiche
Campo magnetico di tipo terrestre (CMt), debole
Debole CMt
Magnetismo non attivo, residuo magnetismo crostale
Debole CMt
Intenso CMt, asse dipolare fuori centro
CMt, momento dipolare antiparallelo rispetto a Giove
Intenso CMt, qu asi puro dipolare, poco inclinato
Assenza di magnetismo proprio
Intenso CMt, moltissimo inclinato ed eccentrico
CMt, simile a quello di Urano
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.
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