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livello elementare
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ARGOMENTO: ASTRONOMIA
PERIODO: XXI SECOLO
AREA: DIDATTICA
parole chiave: Urano, colonizzazione
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Stiamo viaggiando verso Urano, il settimo pianeta dal Sole. Dopo aver attraversato le orbite dei due giganti gassosi ci troviamo di fronte il primo “gigante di ghiaccio”.
Urano, i suoi anelli e alcune delle sue lune (photo credit: NASA, JPL, ESA)
Urano è un pianeta molto lontano dal Sole e la sua orbita ha una durata di ben 84 anni con una distanza media dalla nostra stella di circa tre miliardi di chilometri. Per dare un’idea, variando l’intensità della luce solare con l’inverso del quadrato della distanza, la luce su Urano ha un’intensità di circa 1/400 dell’intensità della stessa sulla Terra. Il suo periodo di rotazione è minore di quello della Terra (circa 17 ore).
Una cosa curiosa: Urano ha una configurazione unica perché il suo asse di rotazione è inclinato lateralmente quasi di 90 gradi (97,77°) ed i suoi poli nord e sud si trovano dove la maggior parte degli altri pianeti hanno l’equatore.
Urano – NASA
La sua scoperta
Come i pianeti classici, Urano è visibile ad occhio nudo, ma non è mai stato riconosciuto come un pianeta dagli antichi osservatori a causa della sua penombra e dell’orbita lenta. Anche se la prima osservazione conosciuta potrebbe essere attribuibile a Ipparco, nel 128 a.C., nell’antichità Urano era generalmente scambiato per una stella. Sebbene osservato nel 1690, da John Flamsteed (che lo catalogò come 34 Tauri) e ben dodici volte da Pierre Charles Le Monnier, tra il 1750 e il 1769, fu l’osservazione di William Herschel, nel 1781, a far identificare quel corpo che appariva come una cometa. Poco dopo, l’astronomo Johann Bode stabilì che la sua orbita quasi circolare era più simile a quella di un pianeta che a quella di una cometa. Da quel momento l’oggetto di Herschel fu universalmente accettato come un nuovo pianeta.
Come nacque
Nella fase di formazione del nostro sistema solare, alcuni pianeti incominciarono a crescere: alcuni di essi accumularono sufficientemente materia da consentire alla loro gravità di trattenere il gas residuo della nebulosa: ovviamente più gas trattenevano, più grandi diventavano ma fino ad un certo punto. I giganti di ghiaccio, come Urano e Nettuno, avendo masse limitate di gas nebulare, non raggiunsero mai quel punto critico e si stabilizzarono. Probabilmente la loro formazione avvenne in posizioni più vicine al Sole rispetto alle attuali e solo in seguito si spostarono verso l’esterno. Ma ora, dopo questa breve presentazione, è giunto il momento di avvicinarci a Urano per conoscerlo meglio.
Urano osservato dalla Terra. Il colore blu deriva dall’atmosfera ricca di metano – da link https://sunowgreen.blogspot.com/2017/07/Uranus-.html
L’atmosfera
Il sistema uraniano ha una configurazione unica perché il suo asse di rotazione è inclinato lateralmente, quasi di 90 gradi (97,77°) ed i suoi poli nord e sud, si trovano dove la maggior parte degli altri pianeti hanno i loro equatori. Le prime immagini di Urano furono riprese dalla sonda Voyager 2, nel 1986, che rivelarono un pianeta oscuro, senza le bande di nuvole o le tempeste associate agli altri pianeti giganti.
La sua composizione è simile a quella di Giove e di Saturno, in gran parte idrogeno ed elio, ma contiene più “ghiacci” come acqua, ammoniaca e metano, insieme a tracce di altri idrocarburi. Ha l’atmosfera planetaria più fredda del Sistema Solare, con una temperatura minima di -224 ° C ed ha una struttura a nuvole complessa, stratificata con acqua nelle nuvole più basse e metano negli strati più alti.
Proviamo a scendere virtualmente verso il suo interno. Innanzitutto Urano possiede un’atmosfera che può essere suddivisa in tre strati: la troposfera, tra altitudini di −300 e 50 km e con pressioni da 100 a 0,1 bar, la stratosfera, tra 50 e 4.000 km e pressioni comprese tra 0,1 e 10 bar e la termosfera che si estende da 4.000 km ad un’altezza di 50.000 km dalla superficie. Come abbiamo accennato, la composizione dell’atmosfera di Urano è costituita principalmente da idrogeno molecolare, elio e metano (anche se al 2,3%). È proprio questa presenza che rende le immagini del pianeta di un bel colore acquamarina o di colore ciano. La temperatura registrata nella sua tropopausa è di circa −220° C, di fatto rendendolo il pianeta più freddo del Sistema Solare.
La troposfera è la parte più bassa e più densa dell’atmosfera ed è caratterizzata da una diminuzione della temperatura con l’altitudine che scende da circa 47° C, alla base della troposfera, a −300 km a circa −220 ° C a 50 km a seconda della latitudine planetaria. La troposfera è una parte dinamica dell’atmosfera uraniana, che mostra forti venti, nuvole luminose e cambiamenti stagionali. Nella stratosfera, lo strato intermedio dell’atmosfera, la temperatura generalmente aumenta con l’altitudine da -220 ° C a 0ltre 550° alla base della termosfera a causa dell’effetto di assorbimento della radiazione solare da parte del metano e degli altri idrocarburi. Lo strato più esterno dell’atmosfera uraniana è la termosfera e la corona, che ha una temperatura uniforme tra gli 800 e gli 850 K, uno dei misteri di Urano in quanto i deboli raggi solari non possono fornire energia necessaria per mantenere queste temperature. La corona della termosfera corona ha una caratteristica unica: si estende fino a 50.000 km e contiene molti atomi di idrogeno liberi.
Magnetosfera
Voyager 2, tra le tante scoperte, rivelò la presenza di una magnetosfera uraniana decisamente peculiare, sia perché non ha origine dal suo centro geometrico, sia perché è inclinata di 59° dall’asse di rotazione, creando di fatto una magnetosfera altamente asimmetrica, con differenze di valori di dieci volte inferiori nell’emisfero meridionale rispetto a quelle nell’emisfero settentrionale. Il suo disallineamento significa anche che la parte della magnetosfera che si allontana dal Sole è attorcigliata come in un lungo cavatappi.
Un’immagine composita che mostra un’aurora estremamente luminosa su Urano. Le aurore sono prodotte dalle fluttuazioni periodiche del campo magnetico che interagiscono con il vento solare –photo credit: ESA / Hubble & NASA, L. Lamy / Observatoire de Paris
Sebbene Urano presenti delle aurore relativamente ben sviluppate, viste come archi luminosi attorno a entrambi i poli magnetici, rispetto a quelle di Giove, sembrano essere insignificanti.
Geologia del pianeta
La massa media di Urano è circa 14,5 volte quella della Terra ed ha una densità di 1,27 g / centimetro cubo, cosa che lo rende il secondo pianeta meno denso. Questo significa che è composto (principalmente) da acqua, ammoniaca e metano allo stato solido (ghiacci) e in minima parte da materiale roccioso. Se spaccassimo il pianeta a spicchi scopriremmo che è costituito da tre strati: il nucleo roccioso al centro (composto da silicati/ ferro-nichel), un mantello ghiacciato avvolto in un involucro esterno di idrogeno/elio gassoso.
Il manto di ghiaccio non è in realtà composto da ghiacci, ma da un fluido caldo e denso costituito da acqua, ammoniaca e altre sostanze volatili; in altre parole un oceano di acqua e ammoniaca. A causa dell’altissima pressione e della temperatura di oltre 5000 K all’interno di Urano si genera uno spezzettamento delle molecole di metano, e gli atomi di carbonio si condensano in cristalli di … diamante. Un fenomeno che potremmo definire in maniera molto colorita come una pioggia di chicchi di grandine di diamante. La base del mantello può comprendere quindi un oceano di diamanti liquidi. Decisamente suggestivo. Di fatto questa struttura interna fluida di Urano dimostra che il pianeta non ha una superficie solida.
Clima
Quando Voyager 2 sorvolo Urano, nel 1986, osservò una scarsa nuvolosità su tutto il pianeta. La sua temperatura più bassa registrata nella tropopausa di Urano fu di −224 ° C. Per un breve periodo, da marzo a maggio 2004, nell’atmosfera uraniana apparvero grandi nuvole con velocità record del vento di 820 km/h ed una manifestazione temporalesca con la produzione di molti fulmini. Dai dati raccolti, si ritiene che l’inclinazione assiale di Urano comporti variazioni stagionali estreme nel tempo con valori massimi ai solstizi.
Image: Courtesy of Lawrence Sromovsky, Pat Fry, Heidi Hammel, Imke de Pater
Ad esempio, sembrerebbe che il polo visibile si illumini poco prima del solstizio e si oscuri dopo l’equinozio. Questo perché, in prossimità dei solstizi, gli emisferi di Urano giacciono alternativamente nel pieno bagliore dei raggi del Sole o di fronte allo spazio profondo. Nel primo caso il brillamento dell’emisfero illuminato dal sole potrebbe derivare da un ispessimento locale delle nuvole di metano nella troposfera.
Le lune di Urano
Come gli altri giganti anche Urano ha numerosi satelliti naturali, ovvero 27. I cinque satelliti principali sono Miranda, Ariel, Umbriel, Titania e Oberon.
Titania – NASA
Il più grande dei satelliti, Titania, ha un raggio di soli 788,9 km, meno della metà di quello della Luna, rendendola l’ottava più grande luna nel sistema solare. I satelliti di Urano sono conglomerati composti per circa il 50% da ghiacci di ammoniaca e anidride carbonica e il 50% da roccia. Tra i satelliti uraniani, Ariel sembra avere la superficie più giovane con il minor numero di crateri da impatto e Umbriel è la più antica. Miranda mostra un canyon di faglia profondo 20 km di profondità, strati terrazzati e una variazione caotica nelle caratteristiche della superficie.
Parliamo ora dei suoi anelli
Non ce lo aspettavamo, ma ce ne sono ben tredici; sono composti da particelle estremamente scure, di dimensioni variabili da micrometri a una frazione di metro di solito larghi pochi chilometri. Il più luminoso è quello identificato con la lettera ε. Essi sono probabilmente abbastanza giovani e potrebbero essere parti di una luna (o forse più lune) frantumata da impatti ad alta velocità. I detriti sopravvissuti si collocarono poi in orbite stabili intorno a Urano. Gli anelli furono ripresi direttamente quando Voyager 2 superò Urano nel 1986.
Nel dicembre 2005, il telescopio spaziale Hubble rilevò una nuova coppia di anelli precedentemente sconosciuti. Il più grande si trova due volte più lontano da Urano rispetto agli anelli precedentemente noti. Questi nuovi anelli sono così lontani che sono chiamati il sistema di anelli “esterno”. Hubble ha anche individuato due piccoli satelliti, uno dei quali, Mab, condivide la sua orbita con l’anello scoperto più esterno. I nuovi anelli portano quindi il numero totale di anelli uraniani a 13. Nell’aprile 2006 delle immagini dei nuovi anelli riprese dall’Osservatorio di Keck hanno mostrato i colori degli anelli esterni: il più esterno è blu e l’altro rosso. Un’ipotesi riguardante il colore blu dell’anello esterno è che sia composta da minuscole particelle di ghiaccio d’acqua. Gli altri anelli interni appaiono invece grigi.
Esplorazione
Veniamo ora allo scopo del nostro viaggio nel sistema solare, la ricerca di un pianeta idoneo per la colonizzazione. L’unica indagine visiva su Urano fu effettuata dalla Voyager 2 nel 1986 che arrivò a 81.500 km dalle nuvole, prima di continuare il suo viaggio verso Nettuno. La navicella spaziale ne studiò la struttura e la composizione chimica dell’atmosfera, rivelandoci molti aspetti del suo clima unico. Effettuò anche le prime indagini dettagliate sulle sue cinque lune più grandi, scoprendone dieci nuove.
immagine artistica della sonda Voyager 2 nei pressi di Urano su una fotografia elaborata da Julian Baum nel maggio del 2013
La possibilità di inviare la navicella spaziale Cassini da Saturno a Urano fu valutata nel 2009, ma alla fine fu respinta a favore della sua distruzione nell’atmosfera di Saturno in quanto ci sarebbero voluti oltre venti anni per arrivare al sistema uraniano. Una nuova missione è stata raccomandata dall’indagine decadale di scienza planetaria 2013-2022 pubblicata nel 2011, prevedendo il lancio nel periodo 2020-2023 con un viaggio di “soli” 13 anni per raggiungere Urano. Ma la scelta non è stata ancora definita … di fatto Urano non ci appare molto ospitale, al di là delle cascate di diamanti. Continuiamo ora il nostro viaggio verso Nettuno.
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LE LUNE DI GIOVE SATURNO LE LUNE DI SATURNO
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ammiraglio della Marina Militare Italiana (riserva), è laureato in Scienze Marittime della Difesa presso l’Università di Pisa ed in Scienze Politiche cum laude all’Università di Trieste. Analista di Maritime Security, collabora con numerosi Centri di studi e analisi geopolitici italiani ed internazionali. È docente di cartografia e geodesia applicata ai rilievi in mare presso l’I.S.S.D.. Nel 2019, ha ricevuto il Tridente d’oro dell’Accademia delle Scienze e Tecniche Subacquee per la divulgazione della cultura del mare. Fa parte del Comitato scientifico della Fondazione Atlantide e della Scuola internazionale Subacquei scientifici (ISSD – AIOSS).
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