Urano e Nettuno: Caratteristiche fisiche

Da Sezione Pianeti UAI.

Indice

Urano

Urano, il quarto pianeta in ordine di massa nel Sistema Solare, è stato il primo ad essere individuato dopo l’invenzione del telescopio. Lo scoprì William Herschel, il 13 marzo 1781, utilizzando un piccolo telescopio di 15.7 cm di diametro e 210 di focale. Solo nel maggio 1781 fu riconosciuta la natura planetaria di Urano. Dai calcoli dell'orbita risultò un valore del semiasse maggiore di circa 19 UA dal Sole, in buon accordo con la "legge" di Titius-Bode, che però non vale più per Nettuno.

Urano è un pianeta con un diametro equatoriale di 51,118 km e una massa 14.5 volte quella della Terra. Visto dalla Terra, alla distanza minima di 18 UA, splende come una stellina di magnitudine +6, di colore blu-verde e mostra un disco con un diametro apparente di soli 3.87 secondi d’arco: 465 volte minore del diametro apparente della Luna piena. Il periodo orbitale del pianeta è di 84 anni e della scoperta ha compiuto solo 2.7 orbite, per questo è poco noto il ciclo stagionale. La principale caratteristica di Urano, unica fra i pianeti del Sistema Solare, è di avere l'asse di rotazione che, in pratica, giace sul piano orbitale. Infatti, l’asse del pianeta è inclinato di circa 82°. Al momento non è noto perché l’asse di Urano abbia questa orientazione, l’ipotesi più probabile è che sia la conseguenza di una collisione con un corpo delle dimensioni della Terra avvenuta durante le prime fasi della formazione del Sistema Solare. Questa geometria implica che le regioni polari sono esposte alternativamente al Sole per decenni, anche se le regioni equatoriali restano comunque più calde (e questo è un altro mistero di Urano). Nel 1985 era rivolto verso il Sole il polo sud di Urano, mentre tutto l’emisfero settentrionale era in ombra, nel 2007 sono illuminati entrambi gli emisferi, mentre nel 2030 sarà illuminato il solo emisfero settentrionale, quindi dalla Terra sarà visibile solo il polo nord. Va notato che, in questo articolo, per definire il polo nord di un pianeta è stata usata la definizione dell’Unione Astronomica Internazionale: il polo nord di un pianeta o satellite è quello che punta al di sopra del piano dell’eclittica, indipendentemente dal verso di rotazione del pianeta. Se, invece, si usa la regola “della mano destra”, allora il polo sud di Urano diventa il nord e viceversa. Per questo motivo, in altri articoli, si possono trovare i poli invertiti.

L'atmosfera

Il principale componente rivelabile da Terra è l'idrogeno molecolare, seguito dell'elio. Sia l'idrogeno sia l'elio trasmettono la radiazione visibile e sono incolore, l'assorbimento è nella parte ultravioletta dello spettro. Il caratteristico colore blu-verde di Urano è dovuto al metano, che è il terzo componente, per importanza, dell'atmosfera. Il metano assorbe nel rosso e riflette il blu, da qui il colore del disco. Nell'atmosfera di Urano il rapporto fra la massa dell'elio e quella dell'idrogeno molecolare è pari a 0.26±0.05, mentre quello di Nettuno è 0.32±0.05 (dati Voyager 2). Questo rapporto è vicino a quello solare (0.28±0.01) e induce a pensare che per Urano e Nettuno non siano all'opera meccanismi di impoverimento dell'elio attivi su Giove e Saturno.

Bilancio energetico dei pianeti giganti

Urano è l'unico dei quattro pianeti gassosi a non emettere nell'infrarosso una quantità di energia superiore a quella che riceve dal Sole. Per Giove, Saturno e Nettuno l'energia emessa è circa il doppio di quella ricevuta. Urano, alla distanza media di 19.191 UA dal Sole riceve 3.712 W/m2. Di questi solo lo 0.704±0.049 è assorbita dal pianeta, cioè 2.613 W/m2. Questa energia assorbita viene riemessa principalmente nell'infrarosso e, a causa dell'elevata velocità di rotazione, su tutto l'angolo solido di 4p steradianti. Quindi l'energia emessa è 0.653 W/m2. Dalle misure del Voyager 2 la densità di flusso emesso risulta di 0.68±0.01 W/m2, praticamente coincidente con il solo contributo solare. Per Nettuno il contributo solare alla densità di flusso in uscita è di 0.27±0.03 W/m2, mentre quello misurato è di 0.70 W/m2, ben 2.6 volte superiore. Il rapporto fra il flusso totale emesso e il solo contributo solare è noto come bilancio energetico di un pianeta.

L'assenza di un’emissione infrarossa significativa, oltre il contributo solare, non implica necessariamente l'assenza di una sorgente di energia interna per Urano. Secondo le ipotesi correnti l'energia emessa in eccesso dai giganti gassosi è dovuta al processo di contrazione gravitazionale dei loro nuclei. Non c'è ragione di pensare che per Urano non sia la stessa cosa, tuttavia è possibile che all'interno del pianeta esista uno strato isolante che impedisca al nucleo di raffreddarsi.

I venti e le nubi

Durante l'incontro con il Voyager 2 il disco di Urano è apparso privo di dettagli: non si sono osservate variazioni notevoli di aspetto al cambiare di latitudine e longitudine. Questa caratteristica è in contrasto con le atmosfere di Giove, Saturno e Nettuno. Dal Voyager sono state osservate poche nubi ma sufficienti per consentire la misura della velocità dei venti atmosferici. A dispetto delle elevata inclinazione orbitale, che consente l'illuminazione delle regioni polari per lunghi periodi, i venti si muovono parallelamente all'equatore, così come avviene negli altri pianeti giganti. Da qui si deduce che è la rotazione planetaria e non l'illuminazione solare a determinare il moto delle correnti atmosferiche esterne. Le osservazioni del Voyager 2 coprono l'intervallo da 25 a 41 gradi di latitudine sud e un solo punto a 71° sud. Le velocità misurate sono tutte nello stesso senso della rotazione del pianeta. Nessuna misura di velocità è disponibile per l'emisfero nord perché non era illuminato. I punti disponibili si interpolano con l'equazione empirica:

V = 200(0.4cos(b)-cos(3b)) m/s

Dove b è la latitudine planetocentrica. Non è ancora ben chiaro quale sia la sorgente energetica che alimenta i venti di Urano.

In un pianeta le nubi sono il risultato della condensazione di componenti gassosi posti a quote più basse. Le bolle di gas caldo che risalgono dall'interno del pianeta, generate dal raffreddamento del nucleo, possono raggiungere livelli dove la temperatura è bassa al punto tale che condensano in cristalli di ghiaccio formando una nube. I composti ghiacciati sono pesanti e ricadono verso l'interno sciogliendosi e andando a formare una nuova bolla di gas in risalita. Per la Terra il composto responsabile della formazione delle nubi è l'acqua (H2O). Per Urano sono metano, ammoniaca e acqua. Su Giove e Saturno le nubi si organizzano in bande parallele all'equatore per l’elevata velocità di rotazione. A causa della temperatura troppo elevata il metano non condensa e le nubi visibili sono di ammoniaca. Su Urano la temperatura è minore, le nubi si formano, anche di metano, ma a livelli profondi nell'atmosfera e risultano scarsamente visibili dalla Terra.

Il campo magnetico, satelliti e anelli

La presenza di un campo magnetico planetario è importante perché può aiutare a capire la struttura interna di un pianeta. Per possedere un campo magnetico, secondo le vedute attuali, un pianeta deve rispettare le condizioni seguenti:

  1. All’interno del pianeta deve esistere una regione fluida
  2. La regione fluida deve essere conduttrice
  3. Deve esistere una sorgente di energia che instauri e mantenga delle correnti all’interno del fluido

Prima del Voyager c’erano solo indicazioni indirette e non conclusive sull’esistenza di un campo magnetico di Urano. Dopo la missione la risposta è stata affermativa e i dati sul campo magnetico di Urano si devono interamente alle misure del Voyager 2. L'asse del dipolo magnetico del pianeta è inclinato di ben 58.6° rispetto all'asse di rotazione e il centro del dipolo dista 0.3 raggi di Urano dal centro del pianeta verso l'emisfero nord. Per confronto l'asse del dipolo magnetico terrestre è inclinato di soli 11.4° ed è decentrato di 1/14 del raggio terrestre. Il periodo di rotazione siderale del dipolo, e quindi dell'interno di Urano, è di 17.24 ore. La velocità dei venti atmosferici, così come per tutti gli altri pianeti giganti, si misura rispetto a questo periodo di rotazione.

Le fasce di radiazione di Urano sono dominate da atomi di idrogeno, mancano ioni più pesanti, probabilmente assorbiti dalle superfici dei satelliti. Le fasce sono intense al punto tale che in soli 100 000 anni possono decomporre una superficie di metano ghiacciato rendendola scura grazie alla formazione di una pellicola di carbonio. Molto probabilmente è questo il motivo della bassa albedo di satelliti ed anelli.

Il Voyager 2 ha ottenuto immagini ad alta risoluzione dei cinque maggiori satelliti di Urano, Miranda, Ariel, Umbriel, Titania e Oberon, scoprendone un’altra decina. Le cinque lune maggiori sono conglomerati di ghiaccio e roccia. Le loro superfici mostrano sia tracce di un’intensa craterizzazione da impatto che di un’attività geologica interna. Tutti i nove, sottili, anelli scoperti da terra nel 1977 sono stati fotografati, così come ne sono stati scoperti dei nuovi.

Parametri fisici di Urano

Massa (Terra=1) 14.536
Volume (Terra=1) 63.08
Raggio equatoriale a 1 bar 25,559 km
Raggio polare a 1 bar 24,973 km
Schiacciamento polare 0.02293
Densità media (acqua=1) 1.27
Gravità superficiale a 1 bar (Terra=1) 0.889
Velocità di fuga 21.3 km/s
Albedo di Bond 0.3
Albedo visuale geometrico 0.51
Temperatura di corpo nero 58.2 K
Diametro apparente medio dalla Terra 3.9"

Nettuno

Nettuno è stato scoperto analizzando le perturbazioni gravitazionali sul moto di Urano il 23 settembre 1846 da J. Galle su indicazioni di U. Leverrier. Il pianeta è al terzo posto in ordine di massa nel Sistema Solare (17.1 volte quella della Terra), e presenta un diametro di 49,528 km. Osservato dalla Terra, alla distanza minima di 29 UA, è una stellina di magnitudine +8 con un dischetto del diametro apparente medio di soli 2.35 secondi d’arco su cui diventa difficile, ma non impossibile, scorgere qualche dettaglio.

A parte l’eccesso di emissione infrarossa di Nettuno la composizione e la dinamica dell’atmosfera è simile a quella di Urano. Va osservato però che, nonostante la maggiore distanza dal Sole, l’attività atmosferica di Nettuno appare maggiore o comunque più evidente, di quella di Urano. Una delle scoperte più interessanti del Voyager 2 è stata la Grande Macchia Scura (Great Dark Spot, GDS), una struttura anticiclonica simile alla Macchia Rossa (MR) di Giove. La GDS, ora scomparsa secondo le osservazioni del telescopio spaziale, si trovava a 22° di latitudine sud come MR ma era di forma e dimensioni più variabili rispetto a quest’ultima. Numerose sono state le strutture nuvolose, simili ai cirri terrestri, osservate nell’alta atmosfera di Nettuno. La maggior parte dei venti spirano in senso opposto alla rotazione del pianeta, arrivando a velocità di 300 m/s, secondi solo a quelli di Saturno che, alle latitudini equatoriali, possono arrivare anche a 500 m/s.

Il campo magnetico, satelliti e anelli

Come per Urano il campo magnetico di Nettuno è inusuale. L’asse del dipolo magnetico è inclinato di 47° rispetto all’asse di rotazione, e il centro si trova a 0.55 raggi planetari dal centro fisico di Nettuno. L’intensità del campo quindi varia da 1 a 0.1 gauss secondo la posizione sulla superficie. La variazione delle onde radio generate dal campo magnetico di Nettuno ha permesso di determinare il periodo di rotazione del pianeta, pari a 16h 7m.

Parametri fisici di Nettuno

Massa (Terra=1) 17.147
Volume (Terra=1) 57.74
Raggio equatoriale a 1 bar 24,764 km
Raggio polare a 1 bar 24,341 km
Schiacciamento polare 0.01708
Densità media (acqua=1) 1.638
Gravità superficiale a 1 bar (Terra=1) 1.12
Velocità di fuga 23.5 km/s
Albedo di Bond 0.29
Albedo visuale geometrico 0.41
Temperatura di corpo nero 46.6 K
Diametro apparente medio dalla Terra 2.3"
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