Campi magnetici e struttura interna dei pianeti
Primo Levi 2013
Bedogni Roberto INAF Osservatorio Astronomico di Bologna
http://www.bo.astro.it/~bedogni/primolevi/
email: [email protected]
Sole-attività solare-Terra
Parametri fisici del Sole
Il Sole nella
riga H α
Distanza dalla Terra (km) =149 597 970 km
Massa (kg) = 1,989×1030
Massa = 332 830 M T
Raggio equatoriale (km) = 695 000
Raggio equatoriale = 109 R T
Periodo di rotazione (giorni) = 25-36 g
Densità media (kg/m3) = 1410
Velocità di fuga (km/sec) = 618
Accelerazione di gravità (m/sec2 ) = 274
Temperatura superficiale (°K) = 5780
Luminosità (J/s) = 3,86×1026
Magnitudine visuale = -26,8
Magnitudine assoluta bol. = 4,74
Età (miliardi di anni) = 4,55
Struttura interna ed atmosfera del Sole
Zone e meccanismi di trasporto dell’energia
Zona
R/R(0)
Nucleo
0,0 – 0,25
Inviluppo
Radiativo
Inviluppo
Convettivo
~ 0,25 – 0,85
Temperatura
T ( oC)
~ 15 000 000 –
8 000 000
~ 8 000 000 –
500 000
~ 0,85 – 0,99 ~ 500 000 – 10 000
Fotosfera
1
Cromosfera
1-1,02
Corona
solare
> 1,02
5700
1 000 000
Densità ρ
(g/cm3)
Trasporto di
energia
~ 160 - 10
Radiativo
~ 10 –
0,01
Radiativo
< 0,01
Convettivo
10 -7
Eruzioni cromosferiche
Sonda SOHO immagine composta (171 Å, 195 Å and 284 Å) maggio 1998
Protuberanze solari
Sonda Soho
304 Å (UV)
Vento Solare
Magnetosfera terrestre
le fasce di Van Allen
Caratteristiche del Vento Solare
Tabella 1-Parametrici tipici del vento solare ad 1U.A.
Velocità di flusso vp
350 km/s
Densità dei protoni np
9 cm
Densità di flusso np ×vp
3×108 cm
Composizione
96% protoni, 4 % ioni di He + ed un
adeguato numero di elettroni in modo da
mantenere la quasi neutralità elettrica
-3
-2
Temperatura dei protoni Tp 4×104 °K
Temperatura elettronica Te 1,5 ×105 °K
Campo magnetico B
4 nT
s
-1
Aurore polari
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).
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
TSI-Total Solar Irradiance (Costante Solare)
Misure della Radianza Solare
Il campo magnetico interplanetario
Il Vento Solare ai confini del Sistema solare
Il campo magnetico interplanetario
Voyager 1 e 2 ai confini del Sistema solare
Voyager 1 e 2 ai confini del Sistema solare
Voyager 1 e 2 ai confini del Sistema solare
Voyager 1 e 2 ai confini del Sistema solare
Campi magnetici planetari
elettromagnetismo
nei mezzi continui
Tesla – flusso del campo magnetico
1 Tesla=1V s/m2=1 N/Am=1Wb/m2=1kg/As2=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 10−10 T e 10−8 T;
2. sulla Terra, alla latitudine di 50° è 5 · 10−5 T mentre all'equatore, alla
latitudine di 0° è 3,1 · 10−5 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 106 T a 1011 T;
8. la densità massima teorizzata del flusso magnetico di una stella di neutroni (il
corpo conosciuto con le maggiori emissioni magnetiche) è 1013 T;
9. il campo magnetico del cervello umano va da 0.1 a 1.0 pT (pico Tesla = 10-12
Tesla)
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 μ0
= 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
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
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 Æ 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 ∼ 5⋅105 S/m mentre la diffusività
magnetica λ∼ 2 m2/sec a seconda della pressione e della composizione
assunta
Pianeti giganti
Pianeti Giganti Æ (da esperimenti) si pensa a idrogeno metallico a bassa
conduttività elettrica σ da 2⋅104 a 2⋅105 S/m e diffusività magnetica λ∼ da 5 a
50 m2/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 1⋅104 e la diffusività magnetica λ∼ 100 m2/sec a 0,7 raggi
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.
Campi magnetici dei corpi del Sistema solare
Campo magnetico in Tesla
commenti
Mercurio
2 ⋅10-7
Ora Messenger
Venere
< 10-8
Assenza di dinamo-piccoli resti
Terra
5 ⋅10-5
Dinamo nel nucleo
Luna
10-9 ÷10-7
Dinamo primordiale ?
Marte
10-9 ÷10-4
Dinamo primordiale forte
paleomagnetismo
Giove
4,2 ⋅10-4
Dinamo tilt di tipo terrestre
Saturno
2 ⋅10-5
Dinamo (incertezza sulla profondità)
Assisimmetrico
Urano
2 ⋅10-5
Dinamo grande spostamento in
dipolo e quadrupolo
Nettuno
2 ⋅10-5
Dinamo grande spostamento in
dipolo e quadrupolo
Europa
10-7
Titano
< 10-7
Campo magnetico indotto (oceano di
acqua salata)
Senza dinamo
Struttura interna dei pianeti
Struttura interna dei pianeti
Mercurio
Struttura interna di Mercurio
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.
Crosta esterna
Mantello
roccioso
Nucleo
di Ferro e
Nichel
Spessore
(km)
-600
1800
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.
Magnetosfera di Mercurio-Messenger
Venere
Struttura interna di Venere
Crosta esterna
Mantello roccioso
Nucleo di metallo
Spessore
(km)
60
3050
2940
Campo magnetico di venere
Dalla sonda Magellano il magnetometro ha misurato un campo
magnetico 0,000015 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
Venere sputtering dal vento solare
senza campo magnetico evapora
il vapor d’acqua
Marte
Mappa di Marte
Sonda
Viking
orbiter
Struttura interna di Marte
-
Spessore
(km)
Crosta
100
Mantello di Silicati
1800
Nucleo di Ferro e Solfuro di Ferro
1500
Struttura interna di Marte
-
Spessore
(km)
Crosta
100
Mantello di Silicati
1800
Nucleo di Ferro e Solfuro di Ferro
1500
Struttura interna di Marte
Campo magnetico crostale di Marte
Marte
10-9 ÷10-4 Tesla
Dinamo primordiale forte
paleomagnetismo
Residuo paleomagnetico su Marte
Pianeti esterni
giganti gassosi
Struttura interna dei pianeti giganti
Campi magnetici di Giove e Saturno
Giove
4,2 ⋅10-4 Tesla
Dinamo tilt di tipo terrestre
Saturno
2 ⋅10-5 Tesla
Dinamo (incertezza sulla profondità)
Assisimmetrico
Campi magnetici di Urano e Nettuno
Urano
2 ⋅10-5 Tesla
Dinamo grande spostamento in
dipolo e quadrupolo
Nettuno
2 ⋅10-5 Tesla
Dinamo grande spostamento in
dipolo e quadrupolo
Giove
Struttura interna di Giove
Struttura interna di Giove
Campo magnetico di Giove
Campo magnetico di Giove ed emissione
radio
Europa un satellite di “ghiaccio”
Sonda
Galileo
Saturno
Struttura interna di Saturno
Urano
Struttura interna di Urano
Nettuno
Struttura interna di Nettuno
