Giochi di acqua nell'atmosfera di Saturno

In 140 anni di osservazioni astronomiche di Saturno, sono state viste formarsi sei grandi tempeste arrivate a circondare l'interno pianeta. La sonda della NASA Cassini e gli osservatori terrestri hanno potuto seguire l'evolversi di quella più recente, scoppiata tra dicembre 2010 ed agosto 2011. Ora, in un articolo pubblicato su Nature Geoscience, gli scienziati del team Cassini, descrivono l'effetto responsabile di queste sfuriate periodiche.

Moist convection in hydrogen atmospheres and the frequency of Saturn's giant storms [abstract]

A giant storm erupted on Saturn in December 2010. It produced intense lightning and cloud disturbances and encircled the planet in six months. Six giant storms-also called Great White Spots-have been observed on Saturn since 1876, recurring every 20 to 30 years and alternating between mid-latitudes and the equator. Here we use thermodynamic arguments to demonstrate that the quasi-periodic occurrence of Saturn's giant storms can be explained by a water-loading mechanism, in which moist convection is suppressed for decades owing to the relatively large molecular weight of water in a hydrogen-helium atmosphere. We find that the interaction between moist convection and radiative cooling in the troposphere above the cloud base produces an oscillation that leads to giant storm generation with a period of approximately 60 years for either mid-latitudes or the equator, provided the mixing ratio of water vapour in the troposphere exceeds 1.0%. We use a two-dimensional axisymmetric dynamic model and a top-cooling convective adjustment scheme to apply our conceptual model to Saturn. For a water vapour mixing ratio of 1.1%, simulated storms show a recurrence interval, ammonia depletion and tropospheric warming that are consistent with 2010 observations. Jupiter's atmosphere is more depleted in water than Saturn, which may explain its lack of planet-encircling storms.

Soprannominata " Grande Macchia Bianca", fu avvistata per la prima volta nel 1876 ma il 5 dicembre 2010, la Cassini ebbe la fortuna di assistere alla sesta dal vivo. E' stata una delle più grandi tempeste su un altro pianeta visibile con telescopi amatoriali da Terra. E' cresciuta in poco tempo circondando l'intero pianeta a circa 30 gradi di latitudine nord ed restata attiva per circa 7 mesi, coprendo un'area di migliaia di milioni di chilometri quadrati. Si presenta puntuale una volta ogni 30 anni circa, ossia una volta ogni anno saturniano.

Mentre le lune di Saturno sono ricche di ghiaccio d'acqua, l'atmosfera del pianeta è costituita prevalentemente da idrogeno ed elio: le cime delle nubi superiori sono per lo più di cristalli ghiacciati di ammoniaca, mentre più in profondità dovrebbe esserci uno strato di idrosolfuro di ammonio e acqua. Il tutto è ricoperto dal velo superiore della troposfera, di composizione quasi sconosciuta, che oscura il pianeta.

"Come sulla Terra, l'atmosfera di Saturno è composta da diversi strati", spiegano Cheng Li e Andrew Ingersoll del California Institute of Technology, autori del documento. Per la maggior parte del tempo, lo strato più esterno, dove si formano le nuvole, è meno denso degli strati sottostanti che si estendono verso il centro del pianeta. Questo strato meno denso, che contiene anche molecole di acqua, poggia sulla sommità di una miscela di aria più spessa di idrogeno ed elio, come se galleggiasse ed impedisce all'aria più calda sottostante di salire, raffreddare e condensare, che è il processo necessario per creare i temporali. Questa situazione può durare decenni.
Durante il lunghissimo periodo di quiete prima della tempesta, l'atmosfera esterna irradia calore verso lo spazio e si raffredda progressivamente fino a diventare più densa dello strato inferiore. Ad un certo punto, l'equilibrio tra gli strati viene interrotto e l'aria calda che prima era bloccata, trova la strada verso l'esterno. Le molecole d'acqua più pensanti vengono poi riversate in veri e propri diluvi fino a quando la bilancia originale non viene ripristinata e ritorna calma.

"Per decenni, dopo queste tempeste, l'aria calda nella profonda atmosfera di Saturno è troppo umida e densa per riuscire a salire", ha spiegato Cheng Li. "Lo strato di aria superiore si deve raffreddare di nuovo irradiando calore nello spazio prima che la sua densità diventi maggiore di quella dell'aria calda e umida sottostante. Questo processo di raffreddamento richiede circa 30 anni, che è quando si verificano le tempeste".

I ricercatori suggeriscono che un interno extra-umido dell'atmosfera del pianeta potrebbe spiegare tali capricci epici.
"Se l'atmosfera profonda di Saturno fosse più asciutta, dovremmo vedere continue e piccole tempeste come osservate su Giove", ha detto Li. Invece, le tempeste di Saturno sono periodiche e molto esplosive.

I due scienziati hanno testato la loro teoria con un software di simulazione simile a quello utilizzato per le previsioni meteorologiche sulla Terra ed hanno confrontato i risultati con i dati rilevati della sonda Cassini.

D'altra parte, anche altre osservazioni terrestri o con gli osservatori spaziali, hanno rilevato un interno umido su Saturno: "gli studi che utilizzano la spettroscopia hanno dimostrato che l'interno del pianeta si arricchisce in metano ed altre sostanze volatili [elementi e composti chimici che cambiano stato dal solido a liquido o gassoso a temperature relativamente basse], due o tre volte di più rispetto a Giove. Da lì, il salto è breve per aspettarsi che Saturno sia anche ricco di ossigeno, che è anche una sostanza volatile e parte di ogni molecola H ₂ O", ha detto Andrew Ingersoll, membro del team scientifico Cassini presso la Caltech, co-autore della ricerca con Li.

Gli scienziati sono interessati a capire la quantità di ossigeno e di altre sostanze volatili sui giganti gassosi del nostro Sistema Solare perché questi ingredienti forniscono importanti indizi circa la formazione dei due pianeti, i primi a nascere nel Sistema Solare primordiale.