Interazione del Vento Solare con i Corpi del Sistema Solare

progetto SERENA: Search for Exospheric refilling and Emitted Neutral Abundances

Le interazioni avvengono attraversoCampo MagneticoAtmosfera Superficie Esosfera

Il Sistema Solare è immerso nell’atmosfera solare, che si espande formando il vento solare. Quindi ogni corpo al suo interno interagisce con questo vento.

Interazione vento solare - magnetosfera

• Deformazione• Riconnessione dove il campo planetario è

antiparallelo al campo interplanetario• Penetrazione del plasma e circolazione

nella magnetosfera

=> formazione di correnti

Il plasma che raggiunge le zone più interne può interagire con l’esosfera, l’atmosfera o la superficie

Exos

pher

e

Planet/atmosphere

Processi che interessano l’interazione :1) Charge-exchange

Processo di perdita e di arricchimento

Solar wind Charge-exchangeCharge-exchange

ENA

Processi che interessano l’interazione:2) Ion sputtering/implanting

Processo di perdita e di arricchimento

Solar wind

Atmosphere/Surface

Ion SputteringIon Sputtering

Directional neutral

Atm

osph

ere

Planet

Processi che interessano l’interazione:3) Pick-up ions

Processo di perdita

Solar wind

Pick-up ion

Nel Sistema Solare ci sono corpi con diverse caratteristiche che

interagiscono in modo diverso:

• Terra e Giove -> campo magnetico ed atmosfera

• Mercurio -> campo magnetico e superficie

• Venere e Marte -> atmosfera

• Luna, comete-> superficie

Pianeta più vicino al Sole Lenta rotazione e orbita molto eccentricaDebole campo magnetico dipolarePresenza di un esosfera in assenza di atmosferaForti asimmetrie giorno-notte per temperatura, composizione esosferica e configurazione del campo magnetico

Parameter Mercury Earth Mean orbital axis (AU) .387 1 Perihelion (106 km) 46 147 Aphelion (106 km) 70 152 Eccentricity .206 .017 Inclination to ecliptic 7o 0o

Sidereal orbital period (Earth’s day) 87.97 365.26 Sidereal rotation period (h) 1407.6 23.94 Spin axis obliquity to orbit .1 23.4 Mass (1024 kg) .33 5.97 Radius (km) 2440 6374 Density (g cm-3) 5.43 5.52 Maximum surface temperature (K) 700 Minimum surface temperature (K) 90

279

Magnetic field moment 300 nT RM3 30000 nT RE

3 Magnetic axis inclination to spin axis 10o 17o

Mercurio

BepiColombo (2013)

Studi e simulazioni dell’ambiente di Mercurio

In collaborazione con l’Università di Berna (Svizzera) e l’Università di Graz (AU) si è studiata la penetrazione nella parte giorno del vento solare tramite la regione delle cuspidi e l’interazione di questo con la superficie planetaria tramite ion-sputtering [Massetti et al., Icarus, 2003]

Studi e simulazioni dell’ambiente di Mercurio

In collaborazione con il CNRS (F) si è simulata la circolazione del vento solare penetrato dalla zona giorno e la produzione di neutri per scambio di carica o per ion sputtering dalla superficie [Mura et al.,submitted to Icarus]

Studi e simulazioni dell’ambiente di Mercurio

In collaborazione con il CNRS (F) si è simulata la circolazione degli atomi pesanti generati per ion sputtering e successiva fotoionizzazione. Quindi si è stimata la produzione di neutri per ion sputtering di “seconda generazione” [Delcourt et al., Ann. Geophys., 2003].

Studi e simulazioni dell’ambiente di Mercurio

In un quadro di collaborazioni internazionali (es.: SWRI e APL (USA), CESR e CNRS (Francia), Università di Berna (Svizzera), Università di Graz (Austria), FMI (Finlandia), IRF (Svezia),…)si sta preparando un lavoro di review sull’esosfera di Mercurio e la sua interazione con la magnetosfera e con la superficie planetaria per la rivista Space Science Reviews.

Pianeta di tipo terrestre internoLenta rotazione retrogradaAssenza di campo magneticoAtmosfera densaAlte temperature al suolo

Parameter Venus Earth Mean orbital axis (AU) .723 1 Eccentricity .0068 .017 Inclination to ecliptic 3.4o 0o

Sidereal orbital period (Earth’s day) 225 365.26 Sidereal rotation period (Earth’s day) -243 1 Spin axis obliquity to orbit .177 23.4 Mass (1024 kg) 4.87 5.97 Radius (km) 6052 6374 Density (g cm-3) 5.25 5.52 Mean surface temperature (K) 755 279

Venere

Venus Express (2005)

E’ stata avviata una collaborazione con l’Università di Graz (AU) che prevede uno scambio di studenti PHD per studiare l’esosfera di Venere e per implementare un programma che simula la generazione dell’esosfera planetaria, già utilizzato per Mercurio.

Studi e simulazioni dell’ambiente di Venere

Parameter Marte Earth Mean orbital axis (AU) 1.52 1 Eccentricity .093 .017 Inclination to ecliptic 1.8o 0o

Sidereal orbital period (Earth’s day) 687 365.26 Sidereal rotation period (h) 24.6 23.94 Spin axis obliquity to orbit 25o 23.4 Mass (1024 kg) .64 5.97 Radius (km) 3397 6374 Density (g cm-3) 3.94 5.52 Maximum temperature (K) 293 Minimum temperature (K) 133

279

Mars Express (arrivo Dicembre 2003)

Pianeta di tipo terrestreAssenza di campo magnetico dipolare ma presenza di campi magnetici superficialiAtmosfera

Marte

Panel A): Pseudo-color map of the ENA differential flux, function of the elevation and azimuth angle, if only Mars exosphere was present. The dashed line represents Mars’ obstacle boundary. Panel B): Same as A), if only Phobos torus-halo was present. Panel C): Overall ENA image resulting from the superposition of A) and B). The flux is integrated over all energy from 1 eV to 2 keV. The spheres in the box show an equatorial view of the relative positions of Mars (red), Phobos (blue), and the vantage point (gray); the sun is up.

In collaborazione con l’FMI (Finlandia) si sono effettuate simulazioni del segnale di neutri energetici generati per scambio di carica per valutare l’outgassing rate del satellite Phobos, [Mura et al., JGR, 2003].

Primo pianeta gassoso dalla grande massaForte rotazioneForte campo magnetico dipolare (20000 volte quello terrestre)Atmosfera densa

Parameter Giove Earth Mean orbital axis (AU) 5.2 1 Eccentricity .048 .017 Inclination to ecliptic 1.3o 0o

Sidereal orbital period (Earth’s day) 4333 365.26 Sidereal rotation period (h) 10 23.94 Spin axis obliquity to orbit 3o 23.4o

Mass (1024 kg) 1900 5.97 Radius (km) 71490 6374 Density (g cm-3) 1.33 5.52 cloud temperature (K) 153 279 Magnetic field moment 424000

nT RJ3

30000 nT RE

3 Magnetic axis inclination to spin axis 10o 17o

Giove

Jupiter Polar Orbiter (2009)

Le ultime missioni verso Giove (Galileo, Cassini, …) hanno evidenziato emissione nel visibile, nell’IR, nell’ultravioletto e nei raggi X dalle regioni polari simili alle Aurorae terrestri. L’emissione aurorale sembra essere correlata anche a materiale emesso da Io che ionizzato spiraleggia lungo le linee del campo magnetico e precipita sull’atmosfera Gioviana.

Cassini, per la prima volta, ha osservato emissione di particelle neutre ad alta energia generate per scambio di carica provenienti sia dalle regioni polari sia dalle zone equatoriali intorno all’orbita di Io.

ConcludendoPerché lo studio dell’interazione col vento solare è importante ?

• Per la Terra questo è fondamentale per le attività umane e tecnologiche.

• Per gli altri pianeti l’interazione con il vento solare ha spesso giocato un ruolo primario nell’evoluzione.

• Un confronto con situazioni diverse può aiutarci a capire la storia passata o il futuro del nostro pianeta.

Grazie per l’attenzione