Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio - Cieli Piemontesi
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Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio
Luca Zangrilli
Istituto Nazionale di Astrofisica
zangrilli@oato.inaf.it
Cieli Piemontesi 2018
November 10, 2018
Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 1 / 44
Nuovi scenari per l’esplorazione del Sole
Il 12 agosto 2018 la Parker Solar Probe (PSP) è stata lanciata da Cape Canaveral, con un
Delta IV-Heavy.
È cosı̀ iniziata una nuova fase dell’esplorazione del Sole dallo spazio, in cui non ci
limiteremo a osservarlo dalla distanza dell’orbita terrestre, ma ci avvicineremo in modo
tale da poterlo studiare da punti di vista completamente nuovi.
Lancio: 12 agosto 2018, alle ore 3:31 am EDT
(7:31 UTC);
Flyby presso Venere: 2 ottobre 2018, alle
7:45pm EDT (23:45 UTC);
Primo Perielio (previsto): 5 novembre 2018, alle
1:33pm EST (18:33 UTC);
Orbitale finale: Perielio 0.046 AU, afelio 0.73 AU;
i valori esatti non saranno decisi fino al settimo
gravity assist con Venere nel 2024; il periodo
orbitale sarà di 88 giorni.
Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 2 / 44
Parker Solar Probe
La sonda PSP e gli strumenti:
Fields Experiment (FIELDS): misura diretta dei campi elettrici e magnetici, di onde radio, flusso di Poynting,
densità assoluta di plasma, e temperatura elettronica;
Integrated Science Investigation of the Sun (ISIS): misura di elettroni, protoni and ioni pesanti energetici;
Solar Wind Electrons Alphas and Protons (SWEAP): conteggio di elettroni, protoni e ioni di elio; misura di
velocità, densit “a e temperatura degli stessi;
Wide-field Imager for Solar PRobe (WISPR): gruppo di due telescopi ottici, pensati per fare immagini della
corona e dell’eliosfera interna.
Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 3 / 44
Nuovi scenari per l’esplorazione del Sole
Alle 4:28 del 6 novembre, la PSP 86 giorni
dopo essere stata lanciata, è arrivata al
primo perielio, alla distanza di 0.16 UA,
toccando la velocità di oltre 340 mila
chilometri l’ora.
È la prima di 24 orbite, che mano a mano
porteranno la sonda sempre più vicino al
Sole: 0.04 UA nel 2025, alla velocità di 692
mila chilometri orari, rendendo PSP l’oggetto
più veloce mai costruito dall’uomo.
Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 4 / 44
Nuovi scenari per l’esplorazione del Sole La sonda PSP è stata dedicata a Eugene Parker, colui il quale negli anni ’50 diede inizio alla teoria sul vento solare. Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 5 / 44
Nuovi scenari per l’esplorazione del Sole
La sonda PSP è stata dedicata a Eugene Parker, colui il quale negli anni ’50
diede inizio alla teoria sul vento solare.
Quando venne messo in evidenza che le code di plasma delle comete non puntavano esattamente in direzione
radiale rispetto al Sole, emerse con chiarezza l’esistenza di un flusso di particelle cariche, che senza sosta fluiva
dal Sole.
Nel 1958 Parker, in un lavoro pionieristico rifiutato inizialmente due volte per la pubblicazione, dimostrò,
partendo da principi fisici, l’esistenza di un vero e propio vento solare.
Pochi anni dopo la predizione fu confermata dalle prime sonde interplanetarie.
Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 5 / 44
Nuovi scenari per l’esplorazione del Sole Secondo Parker (1958), la corona non può essere in equilibrio idrostatico perchè la pressione interstellare è insufficiente a contenerla, e la sua espansione è la causa del vento solare. Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 6 / 44
Nuovi scenari per l’esplorazione del Sole
Secondo Parker (1958), la corona non può essere in equilibrio idrostatico
perchè la pressione interstellare è insufficiente a contenerla, e la sua
espansione è la causa del vento solare.
La continuità di massa fornisce:
4πr2 m p n(r)v(r) = Ṁ = costante
dove v(r) è la velocità del flusso attraverso un guscio di raggio r.
Dalla seconda legge di Newton abbiamo: F = ma applicata al gas si traduce nella relazione
dP GM⊙ nm p dv
− − = nm p v
dr r2 dr
Considerando la presenza del campo magnetico, Parker dedusse una configurazione a spirale, la spirale di
Parker.
Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 6 / 44
Nuovi scenari per l’esplorazione del Sole La sonda Mariner 2 fu la prima missione che ebbe successo a essere inviata verso un altro pianeta, sorvolando Venere il 14 dicembre 1962. Tra le diverse scoperte che fece, divenne famosa la prima misura del vento solare (in realtà confermò le misure effettuate dalle sonde Luna 1 e 2 nel 1959), quel flusso costante di particelle cariche proveniente dal Sole. Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 7 / 44
Helios
Le sonde Helios I e Helios II sono state lanciate il 10 dicembre del 1974 e il 15
gennaio del 1976, rispettivamente.
Il loro scopo era di studiare il Sole da vicino, e sono rimaste operative sino al
1985.
Helios II è la sonda che più si è avvicinata al Sole,
raggiungendo le 0.29 UA, e detiene anche il primato di
velocità, con i suoi 252.792 km/h (70,22 km/s).
Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 8 / 44Nuovi scenari per l’esplorazione del Sole
Nel volgere di poco tempo partirà la missione Solar Orbiter (febbraio 2020), avente
obiettivi analoghi e complementari a quelli di Solar Probe.
Una peculiarità di Solar Orbiter è quella di uscire dal piano dell’eclittica, in modo tale da
poter studiare in situ le proprietà del vento solare a diverse latitudini, e di osservare
direttamente anche le regioni polari del Sole.
Sinora, fatta eccezione per le due sonde
Helios degli anni ’70, lo studio della
corona e del vento solare è stato fatto a
distanza ;
con le nuove missioni potremo studiare
in situ le proprità del vento solare, là
dove viene accelerato;
le fasi in cui le sonde saranno in
corotazione col Sole, permetteranno di
seguire in un punto preciso e per un
periodo relativamente lungo
l’evoluzione del vento e delle strutture
coronali.
Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 9 / 44Solar Orbiter Payload
La sonda Solar Orbiter e gli strumenti:
Strumenti eliosferici in-situ
Solar Wind Analyser (SWA): misura delle proprietà del vento solare e della sua composizione;
Energetic Particle Detector (EPD): misura di particelle sopratermiche;
Magnetometer (MAG): misura dettagliata del campo magnetico;
Radio and Plasma Wave analyser (RPW): misura ad alta risoluzione temporale di campi magnetici ed elettrici.
Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 10 / 44Solar Orbiter Payload
La sonda Solar Orbiter e gli strumenti:
Strumenti di remote-sensing
Polarimetric and Helioseismic Imager (PHI): misura ad alta risoluzione e a tutto disco dei campi magnetici
fotosferici;
EUV full-Sun and high-resolution Imager (EUI): fornisce immagini EUV di vari strati dell’atmosfera solare;
EUV spectral Imager (SPICE): fornsice imaging spettrale del disco solare e della corona;
Spectrometer Telescope for Imaging X-rays (STIX): fornisce imaging spettrale dell’emissione solare termica e
non termica nei raggi X, da 4 to 150 keV;
Coronagraph (Metis): immagini della corona solare, simultanee nella regione UV di H Lyman α (121.6 nm), e nella
luce visibile polarizzata;
Heliospheric Imager (SoloHI): immagini di flussi quasi stazionari e transienti del vento solare.
Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 11 / 44Metis Il coronografo Metis è frutto di una collaborazione internazionale guidata dal gruppo dell’Osservatorio Astrofisico di Torino dell’Istituto Nazionale di Astrofisica. Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 12 / 44
Proba3
PROBA-3 è il terzo satellite per lo sviluppo di teconologia spaziale di ESA. Il suo scopo è
quello di dimostrare la tecnologia di formation flying di sonde multiple.
Esso è infatti costituito di due satelli in formazione alla distanza variabile tra 25 e 250
metri. Il payload scientifico è un coronografo, e uno dei due satelliti svolge la funzione di
occultatore esterno. L’Osservatorio Astrofisico di Torino - INAF è coninvolto in questa
collaborazione internazionale.
L’elevata distanza dell’occultatore esterno permetterà di studiare la corona solare molto vicino al lembo.
La sfida tecnologica è quella di mantenere la formazione di volo con un’accuratezza inferiore al 1 mm.
Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 13 / 44La corona solare
Sopra la fotosfera solare, che per convenzione viene
assunta come la superficie solare, si estende ciò la
che potremmo definire atmosfera del Sole.
Essa è costituita da
cromosfera;
regione di transizione;
corona solare.
Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 15 / 44La corona solare
La corona, che possiamo vedere durante un’eclissi di Sole, si estende nello
spazio interplanetario, assumendo quindi le caratteristiche di vento solare, e di
mezzo interplanetario. Si usa distingure:
K corona: Kontinuierlich, principalmente
scattering Thomson della radiazione
fotosferica, da parte di elettroni ad alta
temperatura (righe fotosferiche non
distinguibili, a parte le più intense, per
via del cospicuo allargamento
Doppler);
F corona: Fraunhofer, scattering della
radiazione fotosferica da parte della
polvere interplanetaria (si mantengono
le righe spettrali fotosferiche);
E corona: Emission, righe di emissione
dal plasma coronal.
Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 16 / 44La corona solare
Una delle proprietà fondamentali della corona solare è la sua elevata temperatura, fatto nuovo e sconcertante messo in
luce negli anni ’30 del secolo scorso: Grotrian ed Edlén scoprirono che la riga spettrale coronale a 530.3 nm era dovuta
al ferro altamente ionizzato (Fe13+), indice quindi di elevate temperature.
Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 17 / 44La corona solare
Proprietà generali della corona solare:
molto calda: T e ≥ 106 K;
tenue, ovvero a bassa densità: Ne ≤ 107 cm−3 ;
otticamente sottile: λ ≤ 10 cm;
non in equilibrio termodinamico;
i processi di eccitazione e ionizzazione avvengono per via collisionale; in alcuni casi si considera anche
l’eccitazione radiativa da parte della cromosfera o del continuo fotosferico
la diseccitazione e la ricombinazione avvengono per decadimento radiativo spontaneo.
Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 18 / 44La corona solare L’interazione tra il vento solare e le comete ha contribuito a rivelare l’esistenza di questo flusso continuo di particelle cariche dal Sole. Ancora oggi l’osservazione delle code delle comete può riservare sorprese. La cometa McNaught è celebre, oltre per la sua luminosità, anche la sua coda è stata decisamente strutturata a bande (striae o striature) dall’interazione con il vento solare. Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 19 / 44
La corona solare
La cometa C/1743 X1, detta anche La
Grande Cometa de 1744, o Cometa di
Cheseaux-Klinkenberg, alle 4 del mattino
del 9 marzo 1744; essa mostra un
ventaglio a sei code, che emergono
sopra l’orizzonte, che potrebbero
essere dovute a tre diverse sorgenti,
esposte di volta in volta al Sole dalla
rotazione cometaria, oppure potrebbe
trattarsi di sei striature.
Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 20 / 44La corona solare
È di qualche giorno fa la notizia di una ricerca che potrebbe spiegare la formazione della
struttura a bande che a volte si osserva nella coda di polveri delle comete.
È stato proposto che le particelle di polvere
cometaria siano elettricamente cariche e che
quindi interagiscano con il campo magnetico
interplanetario quando la coda di polveri
attraversa heliospheric current sheet, dove il
campo magnetico interplanetario inverte la
sua polarità.
Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 21 / 44Il vento solare: cosa sappiamo Il vento solare è un flusso di plasma, composto di protoni, elettroni e particelle α, che proviene dall’atmosfera solare superiore. È variabile nel tempo in densità, temperatura e velocità, e anche in longitudine e latitudine. A partire dalla seconda metà del 20o secolo, misure in situ hanno stabilito che il vento solare si manifesta in due regimi: un vento veloce (∼ 700 km/s) e relativamente poco denso, e un vento lento (∼ 400 km/s), denso e irregolare.
Il vento solare: cosa sappiamo
Il vento solare è un flusso di plasma, composto di protoni, elettroni e particelle α, che
proviene dall’atmosfera solare superiore.
È variabile nel tempo in densità, temperatura e velocità, e anche in longitudine e latitudine.
A partire dalla seconda metà del 20o secolo, misure in situ hanno stabilito che il vento solare si manifesta in due regimi:
un vento veloce (∼ 700 km/s) e relativamente poco denso, e un vento lento (∼ 400 km/s), denso e irregolare.
Fast and less dense windIl vento solare: cosa sappiamo
Il vento solare è un flusso di plasma, composto di protoni, elettroni e particelle α, che
proviene dall’atmosfera solare superiore.
È variabile nel tempo in densità, temperatura e velocità, e anche in longitudine e latitudine.
A partire dalla seconda metà del 20o secolo, misure in situ hanno stabilito che il vento solare si manifesta in due regimi:
un vento veloce (∼ 700 km/s) e relativamente poco denso, e un vento lento (∼ 400 km/s), denso e irregolare.
Fast and less dense wind
Slow and dense wind
In situ measured solar wind speeds
(heavy lines) and densities (light
lines) with Mariner 2 in 1962
(Hundhausen, 1995)
Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 22 / 44Il vento solare: cosa sappiamo La sonda Ulysses, in orbita polare attorno al Sole, ha fornito un quadro dei due stati del vento solare. I dati sono stati acquisiti da settembre 1994 a Luglio 1995, molto vicino al minimo solare. La sonda è transitata da 2.2 AU a 80 gradi sud di latitudine eliografica, all’equatore a 1.4 AU; quindi verso nord fina a 80 gradi di latitudine, nuovamente a 2.2 AU. Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 23 / 44
Il vento solare: cosa sappiamo
La sonda Ulysses, in orbita polare attorno al Sole, ha fornito un quadro dei due stati del
vento solare. I dati sono stati acquisiti da settembre 1994 a Luglio 1995, molto vicino al
minimo solare.
La sonda è transitata da 2.2 AU a 80 gradi sud di latitudine eliografica, all’equatore a 1.4
AU; quindi verso nord fina a 80 gradi di latitudine, nuovamente a 2.2 AU.
A basse latitudini eliografiche è presente un vento lento irregolare:
Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 23 / 44Il vento solare: cosa sappiamo
La sonda Ulysses, in orbita polare attorno al Sole, ha fornito un quadro dei due stati del
vento solare. I dati sono stati acquisiti da settembre 1994 a Luglio 1995, molto vicino al
minimo solare.
La sonda è transitata da 2.2 AU a 80 gradi sud di latitudine eliografica, all’equatore a 1.4
AU; quindi verso nord fina a 80 gradi di latitudine, nuovamente a 2.2 AU.
A basse latitudini eliografiche è presente un vento lento irregolare:
Un vento veloce più continuo viene rivelato, durante il minimo solare, a
latitudini maggiori:
Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 23 / 44Il vento solare: cosa sappiamo
Il vento solare durante il ciclo di attività: Ulysses ci ha fornito i grafici radiali di velocità
del vento solare per tre orbite polari.
la prima orbita è avvenuta durante il minimo solare: il vento lento è confinato a una
regione attorno all’equatore solare;
al seconda orbita mostra come il vento lento si estenda a latitudini maggiori e come
flussi di vento veloce appaiano anche a latitudini più basse, come ci aspettiamo in
condizioni di massimo di attività;
i dati della terza orbita mostrano ancora lo scenario incontrato durante il minimo.
Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 24 / 44Il vento solare: cosa sappiamo
Il vento solare durante il ciclo di attività: Ulysses ci ha fornito i grafici radiali di velocità
del vento solare per tre orbite polari.
la prima orbita è avvenuta durante il minimo solare: il vento lento è confinato a una
regione attorno all’equatore solare;
al seconda orbita mostra come il vento lento si estenda a latitudini maggiori e come
flussi di vento veloce appaiano anche a latitudini più basse, come ci aspettiamo in
condizioni di massimo di attività;
i dati della terza orbita mostrano ancora lo scenario incontrato durante il minimo.
La corona cambia nel corso del ciclo
solare: grandi buchi coronali polari
dominano la scena al minimo; al di fuori
di questi, la corona è caratterizzata dalla
presenza degli streamer; nel corso del
massimo streamer e buchi coronali
appaiono a tutte le latitudini.
Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 24 / 44Il vento solare: cosa sappiamo
Il vento solare durante il ciclo di attività: Ulysses ci ha fornito i grafici radiali di velocità
del vento solare per tre orbite polari.
la prima orbita è avvenuta durante il minimo solare: il vento lento è confinato a una
regione attorno all’equatore solare;
al seconda orbita mostra come il vento lento si estenda a latitudini maggiori e come
flussi di vento veloce appaiano anche a latitudini più basse, come ci aspettiamo in
condizioni di massimo di attività;
i dati della terza orbita mostrano ancora lo scenario incontrato durante il minimo.
La corona cambia nel corso del ciclo
solare: grandi buchi coronali polari
dominano la scena al minimo; al di fuori
di questi, la corona è caratterizzata dalla
presenza degli streamer; nel corso del
massimo streamer e buchi coronali
appaiono a tutte le latitudini.
I buchi coronali sono regioni di linee di campo magnetico aperte, a densità relativamente bassa, e bassa intensità nelle
bande spettrali UV e X.
Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 24 / 44Il vento solare: cosa non sappiamo
Non sappiamo cosa riscalda la corona solare, anche se sappiamo che il
campo magnetico deve giocare un ruolo fondamentale.
Non sappiamo come si genera il campo magnetico all’interno del Sole,
anche se risulta chiaro che deve originarsi dalla conversione dell’energia
cinetica dei moti del plasma solare.
Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 25 / 44Il vento solare: cosa non sappiamo
Lo scopo di studiare in situ l’eliosfera interna è di fornire una maggiore
comprensione dei processi fisici che operano in corona e nel vento, e aiuterà a
rispondere a domande su ciò che non sappiamo:
Come e quando si originano in corona il plasma e il campo magnetico che costituiscono il vento solare?
Come i fenomeni transienti coronali influiscono sulla variabilitá eliosferica?
Come le eruzioni solari producono la radiazione di particelle energetiche che permea l’eliosfera?
Come funziona la dinamo solare e come questa governa il legame tra il Sole e l’eliosfera?
Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 26 / 44Il vento solare: cosa non sappiamo
Lo scopo di studiare in situ l’eliosfera interna è di fornire una maggiore
comprensione dei processi fisici che operano in corona e nel vento, e aiuterà a
rispondere a domande su ciò che non sappiamo:
Come e quando si originano in corona il plasma e il campo magnetico che costituiscono il vento solare?
Come i fenomeni transienti coronali influiscono sulla variabilitá eliosferica?
Come le eruzioni solari producono la radiazione di particelle energetiche che permea l’eliosfera?
Come funziona la dinamo solare e come questa governa il legame tra il Sole e l’eliosfera?
Strategia
Tracciare il flusso di energia che riscalda la corona
e accelera il vento solare.
Determinare la struttura e la dinamica dei campi
magnetici alle sorgenti del vento solare.
Determinare quali meccanismi accelerano e
trasportano le particelle energetiche provenienti dal
Sole.
Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 26 / 44Avvicinarsi al Sole
Studiare il Sole da vicino non è solamente una sfida scientifica, alla scoperta
del funzionamento della nostra stella e dell’ambiente circumsolare. È anche una
sfida tecnologica.
Ci sono alcuni aspetti dello sviluppo di una missione solare che meritano di
essere considerati. In particolare:
avvicinarsi al Sole richiede molta energia;
l’ambiente circumsolare è estremo, per cui sono necessarie protezioni mai
prima d’ora sperimentate.
Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 27 / 44Avvicinarsi al Sole
Come ci si avvicina al Sole:
Per avvicinarsi al Sole ci vuole molta
energia: dato il relativamente piccolo
peso di 685 kg, per lanciare PSP è
comunque necessario uno dei
lanciatori più potenti al mondo, lo
United Launch Alliance Delta IV Heavy
(l’energia richiesta è circa 55 volte
quella richiesta per andare su Marte).
Ciò che viene lanciato da Terra viaggia nello spazio, prima
del lancio, lungo l’orbita terrestre e con la la stessa velocità.
Per avvicinarsi al Sole bisogna quindi lanciare nella
direzione opposta al moto orbitale terrestre, in modo tale da
diminuire l’energia orbitale della sonda.
Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 28 / 44Avvicinarsi al Sole
Per avvicinarsi al Sole bisogna sfruttare anche il gravity assist dei pianeti:
a differenza della maggior parte dei gravity assist per le sonde interplanetarie,
quelle dirette verso il Sole devono cedere parte della loro energia orbitale, in
questo caso a Venere.
Quindi, prima tappa Venere!
Piano della traiettoria: la Parker Solar Probe
utilizzerà 7 flyby con Venere, per stringere
man mano la sua orbita attorno al Sole, ben
all’interno dell’orbita di Mercurio, e più
vicino al Sole di qualsialsi altra sonda
precedentemente.
Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 29 / 44Solar Orbiter
Evoluzione della traiettoria di Solar Orbiter;
verranno utilizzati 7 gravity assist: il primo
con Venere, i secondi due con la Terra, e i
rimanenti 4 con Venere; da notare
l’evoluzione del perielio e dell’inclinazione
del piano orbitale rispetto all’eclittica.
Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 30 / 44Avvicinarsi al Sole: gravity assist Possiamo pensare il gravity assist come una collisione elastica, con il moto di uno dei due corpi che avviene su un traiettoria iperbolica. Per illustrare l’idea, possiamo fare un’analogia con la collisione tra una palla che viene lanciata contro un autobus. Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 31 / 44
Avvicinarsi al Sole: gravity assist
Possiamo pensare il gravity assist come una collisione elastica, con il moto di uno dei
due corpi che avviene su un traiettoria iperbolica. Per illustrare l’idea, possiamo fare
un’analogia con la collisione tra una palla che viene lanciata contro un autobus.
Una palla da tennis viene lanciata a 20 km/h contro un autobus che viaggia in direzione contraria a 50 km/h;
nel riferimento dell’autista la palla arriva a 70 km/h e per le leggi di conservazione dell’energia e del momento
(urto elastico), rimbalza nella direzione del moto dell’autobus a 70 km/h;
nel riferimento di un osservatore esterno, la palla rimbalza invece alla velocità di 120 km/h, guadagnando quindi
energia (... nel caso di una missione verso l’interno del Sistema solare dobbiamo in realtà per dere energia, e qui
l’analogia che facciamo viene un po’ meno).
L’apparente violazione delle leggi di conservazione si spiega osservando che l’autobus ha perso parte della sua
energia cinetica in favore della palla da tennis, ma vista la grande differenza in massa tra i due corpi, la velocità
dell’autobus praticamente non cambia.
Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 31 / 44Avvicinarsi al Sole: gravity assist
La tecnica del gravity assist permette di aggiungere o sottrarre momento orbitale
a una sonda per aumentare o diminuire l’energia dell’orbita. Nel caso delle
missioni solari dirette verso il Sistema Solare interno, dobbiamo diminuire
l’energia orbitale.
Estendendo l’analogia della palla lanciata contro un autobus alla dinamica gravitazionale, l’urto è descritto da
una traiettoria iperbolica, in cui nel riferimento del pianeta la sonda arriva con una certa velocità e se ne va con
la medesima velocità, in modulo, ma non la stessa velocità vettoriale.
Nel riferimento del Sole, in seguito al passaggio vicino al pianeta (urto) la sonda esce con velocità data dalla
somma vettoriale della velocità d’uscita nel riferimento del pianeta con la velocità del pianeta stesso.
Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 32 / 44Sostenere l’energia che proviene dal Sole
Le sonde che si avvicineranno al Sole dovranno sostenere un flusso di energia molto
maggiore di quelle che si dirigono, ad esempio, verso l’esterno del Sistema Solare.
Ma quale sarà la temperatura che dovranno sopportare?
Chiariamo subito che la sonda tenderà ad entrare in equilibrio termodinamico con la radiazione fotosferica
solare, e non con la temperatura coronale locale. Questo principalmente a causa della piccolissima capacità
termica coronale, a dispetto della temperatura elevatissima.
Cominciamo con la stima della temperatura
terrestre. Il flusso di energia solare, ovvero
la potenza per unità di superficie, che
investe la Terra viene chiamata costante
solare. La costante solare include tutti i tipi
di radiazione, dalle onde radio ai raggi X e
gamma; in altri termini è una grandezza
bolometrica. Le misurazioni forniscono il
valor medio di 1.95 [cal/min/cm2 ]
corrispondenti a
S 0 = 1365 W/m2
Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 34 / 44La costante solare
Qual’é il flusso medio di energia solare che investe la Terra e che quindi entra
nel bilancio energetico terrestre? La sezione terrestre offerta al flusso solare é
πR2terra
La misura della riflettivitá di un pianeta é detta albedo, α p (valor medio terrestre
0.3):
Radiazione assorbita = S 0 (1 − α p )πR2T erra W
Nell’arco dell’intera giornata, a causa della rotazione terrestre, questa potenza é
distribuita su tutta la sfera (globo terrestre), quindi dobbiamo moltiplicare per il
rapporto della superficie proiettata (πR2T erra ) con la superficie di una sfera 4πR2 ,
ovvero 1/4:
S0
Flusso medio ass. = (1 − α p )πR2 W
4
Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 36 / 44La costante solare
L’insolazione media alla sommitá dell’atmosfera é 1367/4 = 342 W/m2 .
Per via dell’albedo solo il 70% della radiazione viene assorbita, il resto viene
reinviato verso lo spazio; in media rimaniamo con
240 W/m2
Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 37 / 44La costante solare e la temperatura dei pianeti Va considerato che all’equilibrio l’energia assorbita dalla Terra deve comunque essere restituita allo spazio circostante, soprattutto sotto forma di radiazione infrarossa, altrimenti la temperatura terrestre crescerebbe indefinitamente. Nel caso di pianeti (senza considerare l’atmosfera), facendo un bilancio energetico tra quanto viene ricevuto dal Sole e quanto viene riemesso nello spazio e utilizzando la legge di Stefan-Boltzmann, possiamo determinare la temperatura superficiale. Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 38 / 44
La costante solare e la temperatura dei pianeti
Anche la Terra, come ogni corpo a temperatura superiore allo zero assoluto, emette
radiazione:
La radiazione riemessa dalla Terra dipende dalla temperatura:
Friemesso = σT 4
Osserviamo come anche la lunghezza d’onda della radiazione riemessa dipende
dalla temperatura:
λmax T = A
Quindi il Sole e la Terra emettono in due bande ben distinte dello spettro
Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 39 / 44La costante solare e la temperatura dei pianeti
Pensando allora che un pianeta sia un corpo nero:
Lemessa = 4πR2p σT e4
La frazione assorbita di flusso solare é:
S0 2
Lassorbita = (1 − α) πR p
4
quindi, ponendo Lemessa = Lassorbita , abbiamo
" #1/4
S 0 (1 − α)
Te =
16σ
La temperatura effettiva non dipende dalla grandezza del pianeta, ma dalla
temperatura e dal raggio solari, dalla distanza dal Sole e da un solo parametro
interamente relativo al pianeta, l’albedo.
Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 40 / 44La costante solare e la temperatura dei pianeti
Introducendo i valori per la Terra, α ≈ 0.3, risulta (per T ⊙ = 5800[K]):
T e (⊕) ≈ 255[K] = −19[o C]
Questo valore è ben al di sotto della reale temperatura superficiale media della
Terra, che è di circa 15[o C]. La ragione di questo è che la temperatura
superficiale di qualsiasi pianeta dotato di atmosfera viene innalzata, in maniera
minore o maggiore a seconda dei casi, dall’effetto serra.
Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 41 / 44La temperatura delle sonde solari
Introducendo i valori minimi di perielio per le due sonde, considerando che
punteranno il Sole (non ci saraà il fattore 1/4 dovuto alla rotazione terrestre), e
valutando il tutto in assenza di albedo (α = 0), otteniamo le seguenti stime:
Parker Solar Probe:
#1/4
S 0 × (1/0.046)2
"
Te = = 1838K
4σ
Solar Orbiter: #1/4
S 0 × (1/0.284)2
"
Te = = 739K
4σ
Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 42 / 44La temperatura delle sonde solari Gli scudi termici delle due sonde Lo scudo termico della PSP è costituito da una schiuma composita al carbonio, compresa tra due lastre di carbonio. Questo isolamento viene completato dal rivestimento superficiale costituito da una vernice di ceramica bianca, in modo da respingere fin dall’inizio la maggior parte dell’energia radiante del Sole. In questo modo la strumentazione potrà incredibilmente operare alla temperatura di 29 gradi Celsius. Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 43 / 44
Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio: Conclusioni
Partendo dall’eredità delle missioni solari concepite negli anni ’80 del secolo
scorso, siamo giunti al punto di toccare con mano la corona e il vento solare.
Ci aspettiamo di essere a un nuovo punto di svolta della Fisica Solare, sperando
di avere qualche risposta ma soprattutto molte nuove domande.
Grazie per l’attenzione
Luca Zangrilli (INAF-OATo) Nuovi Scenari per il Sole dallo Spazio November 10, 2018 44 / 44Puoi anche leggere
