Campi magnetici e struttura interna dei pianeti - Primo Levi 2013 Bedogni Roberto INAF Osservatorio Astronomico di Bologna ...

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: roberto.bedogni@oabo.inaf.it

Sole-attività solare-Terra

Parametri fisici del Sole

Il Sole nella         Distanza dalla Terra (km) =149 597 970 km
   riga H α           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
                              Temperatura       Densità ρ    Trasporto di
  Zona          R/R(0)
                                 T ( oC)         (g/cm3)       energia
                             ~ 15 000 000 –
  Nucleo      0,0 – 0,25                        ~ 160 - 10    Radiativo
                               8 000 000
Inviluppo                    ~ 8 000 000 –       ~ 10 –
             ~ 0,25 – 0,85                                    Radiativo
Radiativo                       500 000           0,01
Inviluppo
             ~ 0,85 – 0,99 ~ 500 000 – 10 000    < 0,01      Convettivo
Convettivo

Fotosfera         1              5700             10 -7

Cromosfera      1-1,02

 Corona
                > 1,02         1 000 000
 solare

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   -3

Densità di flusso np ×vp     3×108 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 Tp 4×104 °K
Temperatura elettronica Te 1,5 ×105 °K
Campo magnetico B            4 nT

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 emet-
 tono 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                       Campo magnetico indotto (oceano di
                                      acqua salata)
Titano     < 10-7                     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.

                            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.
                 Spessore
-                           Infatti i campi magnetici dei pianeti sono
                   (km)
                            generati dalla presenza di un nucleo "fuso"
Crosta esterna       --     che ruota rapidamente.
Mantello
                   600
roccioso                    La spiegazione potrebbe consistere nel fatto
Nucleo                      che nel nucleo rimangano ancora alcune
di Ferro e        1800      "impurità" che lo mantengono parzialmente
Nichel                      fuso ad una temperatura inferiore al punto di
                            fusione del ferro.

Magnetosfera di Mercurio-Messenger

Venere

Struttura interna di Venere

                            Spessore
-
                              (km)
Crosta esterna                 60
Mantello roccioso             3050
Nucleo di metallo             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