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Telescopi e sonde uniscono le forze per penetrare in profondità nell'atmosfera di Giove

08 maggio 2020
Il telescopio spaziale Hubble della NASA e l'osservatorio Gemini alle Hawaii hanno collaborato con la sonda Juno per analizzare le più potenti tempeste del Sistema Solare che avvengono a oltre 500 milioni di miglia di distanza dalla Terra sul gigantesco pianeta Giove.

Un team di ricercatori guidato da Michael Wong presso l'Università della California insieme a membri del Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, nel Maryland, e della UC Berkeley, stanno combinando osservazioni multi-wavelength (che esaminano tutte le parti dello spettro elettromagnetico con strumenti che leggono le emissioni ottiche, radio, infrarosse, raggi-x e raggi gamma) di Hubble e Gemini con immagini ravvicinate prese direttamente dall'orbita da parte di Juno su Giove per acquisire nuovi dati sul clima turbolento in questo mondo così lontano.
"Vogliamo sapere come funziona l'atmosfera di Giove", ha detto Wong. Ed è qui che entra in gioco il lavoro di squadra di Juno, Hubble e Gemini.

Uno spettacolo di "luci" radio

Le costanti tempeste di Giove sono gigantesche rispetto a quelle sulla Terra, con i fulmini che possono raggiungere sino alle 40 miglia di altezza (cinque volte più alti dei tipici fulmini sulla Terra) e potenti fino a tre volte dei più energici riscontrati sulla Terra. Proprio come sul nostro pianeta i fulmini di Giove agiscono da trasmettitori radio, inviando onde radio e di luce visibile quando lampeggiano nel cielo. Ogni 53 giorni, Juno sorvola questi sistemi di tempeste rilevando segnali radio noti come sferic e whistler che possono quindi essere utilizzati per mappare i fulmini anche sul lato del pianeta in cui è giorno o tra le nuvole profonde dove i lampi non sarebbero altrimenti visibili.
In concomitanza con ogni passaggio Hubble e Gemini osservano da lontano, catturando viste globali ad alta risoluzione del pianeta che sono fondamentali per interpretare le osservazioni ravvicinate di Juno. Il radiometro a microonde di Juno indaga in profondità nell'atmosfera del pianeta rilevando le onde radio ad alta frequenza che possono penetrare attraverso gli strati spessi delle nuvole mentre i dati di Hubble e Gemini possono dirci quanto siano spesse le nuvole e quanto in profondità stiamo penetrando con l'osservazione. Mappando i lampi rilevati da Juno sulle immagini ottiche catturate da Hubble e in quelle a infrarossi termici catturate da Gemini, il team di ricerca è stato in grado di dimostrare che i fulmini sono associati a una combinazione di strutture di nuvole a tre vie di: nuvole profonde fatte di acqua, grandi torri convettive causate dal risveglio di aria umida - essenzialmente proveniente dalla sommità delle nubi gioviane - e regioni chiare presumibilmente causate dal downwelling di aria asciutta al di fuori delle torri convettive.
I dati di Hubble mostrano l'altezza delle nuvole più spesse nelle torri convettive, nonché la profondità delle nuvole di acque profonde. I dati di Gemini rivelano chiaramente i punti più diradati nelle nuvole di alto livello in cui è possibile dare un'occhiata alle nuvole più profonde.
Gli scienziati ritengono che i fulmini siano comuni in un tipo di area turbolenta conosciuta come regione filamentosa ripiegata (folded filamentary region), il che suggerisce che si stia verificando una convezione di aria umida all'interno di esse. Questi vortici ciclonici potrebbero essere ciminiere di energia interna che contribuiscono a rilasciare energia interna attraverso la convezione. Non succede dappertutto, ma qualcosa all'interno di questi cicloni sembra facilitare la convezione.
La capacità di correlare i fulmini con le nuvole di acque profonde offre inoltre ai ricercatori un altro strumento per stimare la quantità di acqua nell'atmosfera di Giove, informazione importante per capire come si siano formati Giove e gli altri giganti gassosi e ghiacciati, e quindi come si sia formato il Sistema Solare nel suo insieme. Mentre molto è stato raccolto su Giove dalle precedenti missioni spaziali, molti dei dettagli - tra cui quanta acqua c'è nell'atmosfera profonda, come il calore fluisce dall'interno e cosa provoca determinati colori e schemi nelle nuvole - rimangono un mistero. Questo risultato combinato potrà fornire informazioni sulla dinamica e sulla struttura tridimensionale dell'atmosfera.

Una Jack-O-Lantern all'interno della Grande Macchia Rossa

Con Hubble e Gemini che stanno osservando Giove con più frequenza durante la missione Juno, gli scienziati sono anche in grado di studiare cambiamenti a breve termine e caratteristiche di breve durata come quelli nella Grande Macchia Rossa.
Le recenti immagini di Juno e le precedenti missioni su Giove hanno rivelato elementi oscuri all'interno della Grande Macchia Rossa che appaiono, scompaiono e cambiano forma nel tempo. Dalle singole immagini non era chiaro se questi fossero causati da un misterioso materiale di colore scuro all'interno dello strato di nuvole alte o se fossero invece buchi che fungevano da finestre in uno strato più profondo e più scuro al di sotto. Ora, con la possibilità di confrontare le immagini a luce visibile di Hubble con le immagini a infrarossi termici di Gemini catturate a poche ore l'una dall'altra, è possibile rispondere a questa domanda. Le regioni che sono scure alla luce visibile sono molto luminose nell'infrarosso, indicando che in realtà sono dei buchi nella nuvola. Nelle regioni libere da nuvole, il calore proveniente dall'interno di Giove che viene emesso sotto forma di luce infrarossa - altrimenti bloccato da nuvole alte - è libero di fuggire nello spazio e quindi appare più luminoso nelle immagini di Gemini.
"È un po' come una lanterna a forma di zucca" ha scherzato Wong. "Vedi la luce infrarossa luminosa proveniente da aree libere da nuvole ma, dove ci sono nuvole, è tutto buio."


Le immagini di cui sopra della Grande Macchia Rossa di Giove sono state realizzate utilizzando i dati raccolti dal telescopio spaziale Hubble e dall'osservatorio Gemini il 1° aprile 2018. Combinando le osservazioni catturate quasi contemporaneamente dai due diversi osservatori, gli astronomi sono stati in grado di determinare che i punti oscuri della Grande Macchia Rossa sono in realtà buchi nelle nuvole alte piuttosto che masse di materiale scuro.

In alto a sinistra (vista ampia) e in basso a sinistra (dettaglio): L'immagine della luce solare di Hubble (lunghezze d'onda visibili) che si riflette sulle nuvole nell'atmosfera di Giove mostra tratti scuri all'interno della Grande Macchia Rossa.

In alto a destra: un'immagine a infrarossi termici della stessa area realizzata da Gemini mostra il calore emesso come energia a infrarossi. Le nuvole sovrastanti fredde appaiono come regioni scure ma le diradazioni delle nuvole consentono all'emissione di infrarossi luminosi di sfuggire dagli strati più caldi sottostanti.

In basso al centro: un'immagine ultravioletta di Hubble mostra la luce solare diffusa nella foschia sulla Grande Macchia Rossa. La Grande Macchia Rossa appare rossa alla luce visibile perché queste foschie assorbono lunghezze d'onda blu. I dati di Hubble mostrano che queste foschie continuano ad assorbire anche a lunghezze d'onda ultraviolette più brevi.

In basso a destra: un composito a lunghezza multi-onda di dati Hubble e Gemini mostra la luce visibile in blu e l'infrarosso termico in rosso. Le osservazioni combinate mostrano che le aree luminose all'infrarosso sono diradamenti o luoghi in cui c'è meno copertura nuvolosa che blocca il calore dall'interno.

Le osservazioni di Hubble e Gemini sono state fatte per fornire un contesto più ampio per il 12° Perigiovio di Juno.

Hubble e Gemini come tracker meteorologici gioviani

L'imaging regolare di Giove da parte di Hubble e Gemini a sostegno della missione Juno si sta dimostrando prezioso anche negli studi di molti altri fenomeni meteorologici, compresi i cambiamenti nei modelli del vento, le caratteristiche delle onde atmosferiche e la circolazione di vari gas nell'atmosfera. Hubble e Gemini possono monitorare il pianeta nel suo insieme, fornendo mappe di base in tempo reale in più lunghezze d'onda per riferimento per le misurazioni di Juno allo stesso modo in cui i satelliti meteorologici che osservano la Terra forniscono il contesto per i cacciatori di uragani ad alta quota del NOAA.
Poiché ora vengono prodotte con più frequenza queste viste ad alta risoluzione da un paio di diversi osservatori e lunghezze d'onda, stiamo imparando molto di più sul tempo di Giove, è il nostro equivalente di un satellite meteorologico ed è possibile finalmente iniziare a guardare i cicli meteorologici del gigante gassoso.
Poiché le osservazioni di Hubble e Gemini sono così importanti per l'interpretazione dei dati di Juno, il team di Wong stanno rendendo tutti i dati elaborati facilmente accessibili ad altri ricercatori attraverso l' Archivio Mikulski per i telescopi spaziali (MAST) presso lo Space Telescope Science Institute a Baltimora, nel Maryland.
"La cosa importante è che siamo riusciti a raccogliere questo enorme set di dati che supporta la missione di Juno. Ci sono così tante sue possibili applicazioni che non possiamo nemmeno fare anticipazioni. Quindi consentiremo ad altre persone di effettuare indagini scientifiche sui dati eliminando la barriera legata al fatto di dover capire da soli come elaborarli" ha concluso Wong.
I risultati delle osservazioni sono stati pubblicati nell'aprile 2020 sull' Astrophysical Journal Supplement Series.

fonti: NASA, ESA e UC Berkeley

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