F

ino a pochi decenni or sono l'atmo-sfera di Venere era completamen-te sconosciuta. Tre secoli di osser-

vazioni telescopiche avevano rivelatosolo che il pianeta è ricoperto da una col-tre ininterrotta di nubi apparentementeuniformi, prive di una strutturazione per-cepibile. Oggi le osservazioni compiutedalla Terra si sono estese a lunghezzed'onda nell'ultravioletto. In questa partedello spettro elettromagnetico diventapossibile osservare nelle nubi particolaridotati di una certa stabilità. Dopo il 1967,inoltre, una serie di veicoli spaziali inter-planetari ha compiuto osservazioni a di-stanza ravvicinata e un totale di 13 sondesono penetrate in profondità nell'atmo-sfera di Venere prima che il calore moltoforte ivi vigente le mettesse fuori uso. Fat-to notevole, due veicoli della serie Veneralanciati dall'Unione Sovietica sono so-pravvissuti abbastanza a lungo da tra-smettere dati dalla superficie del pianeta,dove la temperatura, costantemente su-periore a 460 gradi centigradi nelle variestagioni dell'anno, è abbastanza elevataper fondere metalli come lo zinco. Unveicolo spaziale americano, l'orbiter Pio-neer Venus, arrivato in prossimità diVenere nel dicembre 1978, continua aorbitare attorno al pianeta e a trasmettereinformazioni alla Terra.

Oggi sappiamo che l'atmosfera di Ve-nere è composta in prevalenza (per il 96per cento) di anidride carbonica. La parterestante è costituita da azoto, con traccedi altre sostanze, fra cui vapore acqueo.L'atmosfera di Venere ha una massa piùdi 90 volte maggiore di quella dell'atmo-sfera terrestre cosicché la pressione allasuperficie di Venere è più di 90 voltemaggiore di quella alla superficie del no-stro pianeta: una pressione che sulla Ter-ra troviamo negli oceani a una profonditàdi un chilometro. Oggi sappiamo ancheche le nubi nell'atmosfera di Venere for-mano strati continui a una quota compre-sa grosso modo fra 45 e 60 chilometri. (LaTerra è in media ricoperta per metà danubi, che si trovano a un'altezza inferiore

ai 10 chilometri.) Gli scienziati distinguo-no su Venere tre strati di nubi, sulla basedella concentrazione e delle dimensionidelle particelle sospese. È stata formulatal'ipotesi che le particelle potrebbero dif-ferire da uno strato all'altro, ma le unicheparticelle finora identificate sono goccio-line liquide composte da acido solforicocon una mescolanza d'acqua.

I venti su Venere sono dominati dauna circolazione da est verso ovest suscala planetaria che raggiunge una velo-cità di 100 metri al secondo (360 chilo-metri all'ora) all'altezza della sommitàdelle nubi. A tale velocità una porzionedell'atmosfera di Venere compirebbe ilperiplo del pianeta in quattro giorni ter-restri. Anche il pianeta ruota da est ver-so ovest, ma impiega 243 giorni terrestriper compiere una singola rotazione. Inaltri termini, l'atmosfera di Venere hauna rotazione rapidissima: alla sommitàdelle nubi si muove a una velocità oltre60 volte maggiore di quella del pianeta.La Terra ruota invece da ovest versoest e l'atmosfera terrestre (cQnsideratasu scala planetaria) presenta una rota-zione sincrona con la massa solida delpianeta.

Il centro d'interesse delle ricerche sul-l'atmosfera di Venere sta oggi mutando.Non si tratta più di scoprire come sia l'at-mosfera, ma di spiegare perché l'atmosfe-ra di Venere debba essere così diversa daquella terrestre benché Venere e la Terra

abbiano press'a poco le medesime dimen-sioni e la medesima massa.

l'atmosfera di un pianeta è ben caratte-rizzata da come la sua temperatura

varia con l'altezza. Su Venere il modellodi variazione divide l'atmosfera in dueregioni. Nella regione inferiore, che siestende dalla superficie sino a un'altezzadi circa 100 chilometri, la temperaturadiminuisce con l'altezza. Questa regione èchiamata troposfera per analogia con laparte inferiore dell'atmosfera terrestre(la parte al di sotto dei 10 chilometri),caratterizzata anch'essa da una diminu-zione della temperatura. Nella maggiorparte dell'altezza della troposfera di Ve-nere, la temperatura diminuisce di circa10 gradi centigradi per ciascun chilome-tro di altitudine. Alla superficie, la tem-peratura di 460 gradi presenta solo picco-le variazioni dal giorno alla notte. In effet-ti, per trovare variazioni diurne si devonoeseguire misurazioni all'altezza dellenubi. La ragione di questa mancanza divariazione è chiara. L'atmosfera inferioreè così densa da possedere una grandeinerzia termica: essa è cioè in grado diimmagazzinare una grande quantità dicalore. Per la medesima ragione non ciattenderemmo di trovare una differenzasignificativa fra la temperatura diurna e latemperatura notturna negli oceani delnostro pianeta.

Le alte temperature al di sotto delle

L'atmosfera di VenereUn decennio di esplorazioni con sonde spaziali ha dimostrato che ècomposta essenzialmente da anidride carbonica. Le sue nubi di acidosolforico sono sospinte da venti che raggiungono i 360 chilometri orari

di Gerald Schubert e Curt Covey

Il vento dominante su Venere è rivelato nella serie di fotografie riprodotte nella pagina a fronte,che ci presentano l'immagine del pianeta nell'ultravioletto. Le fotografie furono eseguite in giorniconsecutivi dall'orbiter Pioneer Venus, un veicolo spaziale americano che entrò in orbita attornoal pianeta nel dicembre 1978. Nella prima fotografia, eseguita il 15 febbraio 1979. una struttura aforma di Y nelle nubi di Venere si apre verso la parte occidentale del disco del pianeta. L'asta dellaY è una banda larga e scura lungo l'equatore. Nella seconda fotografia il vertice della 11 si trova inprossimità del bordo ovest del pianeta; nella terza fotografia esso non è più visibile; nella quartastanno riemergendo i bracci; nella quinta, eseguita il 19 febbraio, è visibile di nuovo la Y com-pleta. Il vento dominante è dunque una rotazione dell'atmosfera da est a ovest, in virtù dellaquale le strutturazioni visibili nelle nubi compiono una rotazione attorno al pianeta in soli quattrogiorni terrestri. Anche Venere, che ha una rotazione retrograda, ruota verso ovest, ma larotazione del corpo solido del pianeta è oltre 60 volte più lenta di quella delle strutture atmosferi-che. L'ultima fotografia ci presenta Venere quale appariva il 20 febbraio 1979. Le fotografie sonostate fornite da Larry D. Travis e Anthony Del Genio del Goddard Institute for Space Studies.

120

121

TERRA

TERMOSFERA

-} ATMOSFERA

TROPOSFERAI

MEDIASTRATOSFERA

MESOSFERA

VENERE

TERMOSFERA (EMISFERO DIURNO)CRIOSFERA (EMISFERO NOTTURNO)

TROPOSFERA

FOSCHIA SUPERIORE

STRATI DI NUBI

FOSCHIA INFERIORE

Confronto dei profili di temperatura delle atmosfere di Venere, Terra eMarte. L'atmosfera di Venere (a sinistra) è suddivisa in due partinettamente distinte. Nella parte inferiore, detta troposfera, l'aria èriscaldata soprattutto dall'effetto serra. La temperatura diminuisceperciò con l'altezza. Nella parte superiore, detta termosfera, l'atmosfe-ra è riscaldata direttamente dall'assorbimento della radiazione solare;

qui la temperatura aumenta con l'altezza. Il profilo di Venere quifornito è una media di misurazioni compiute sulla parte diurna e suquella notturna; in realtà si può dire che di notte la termosfera diVenere scompare, in quanto nell'emisfero buio la temperatura dell'at-mosfera diminuisce uniformemente con l'altezza. L'atmosfera di Mar-te (a destra) presenta la stessa suddivisione in due parti dell'atmosfera

TERRA

TERMOSFERA

MESOSFERAn-

STRATOSFERA

TROPOSFERA

0 5 10

o

INDICE DI STABILITA (GRADI PER CHILOMETRO)

I profili di stabilità delle atmosfere di Venere, della Terra e di Marteindicano il grado in cui l'atmosfera, a un'altezza data, resiste alla con-vezione. Fondamentalmente, una porzione dell'atmosfera a qualsiasialtezza data deve sopportare il peso dell'atmosfera sovrastante e, quin-di, la pressione atmosferica diminuisce con l'altezza. Una porzione diatmosfera spostata verso l'alto finirà con l'espandersi e di conseguenzasi raffredderà. Se il gradiente di raffreddamento adiabatico (il raffred-damento causato esclusivamente dalla diminuzione di pressione) supe-ra il gradiente termico, la porzione spostata sarà più, fredda dell'atmo-

5

10 15

INDICE DI STABILITA (GRADI PER CHILOMETRO)

sfera che la circonda e scenderà nuovamente al livello originario. In talecircostanza l'atmosfera è stabile contro la convezione. Se il gradienteadiabatico è minore del gradiente termico, la porzione spostata conti-nuerà a essere più calda dell'aria in cui è salita e continuerà ad ascende-re. L'illustrazione mette in evidenza la differenza fra il gradiente adia-batico e il gradiente termico. I numeri positivi indicano una situazionedi stabilità; lo zero suggerisce instabilità. (Un valore negativo nonpersisterebbe in quanto si avrebbe convezione, che ristabilirebbe l'e-quilibrio.) Sulla Terra la stabilità della stratosfera limita il mescola-

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TEMPERATURA (KELVIN)

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TEMPERATURA (KELVIN)

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MARTE

t

nubi, che culminano con la temperaturadi 460 gradi alla superficie del pianeta,non possono essere attribuite semplice-mente al fatto che Venere è più vicina alSole di quanto non sia la Terra; in effetti

la coltre ininterrotta di nubi che ci occultacompletamente la superficie di Venere ècosì riflettente che il pianeta assorbemeno radiazione solare della Terra. Inol-tre, come è stato dimostrato dalle sonde

venusiane della missione Pioneer e dallaserie di sonde Venera, solo una piccolafrazione della radiazione assorbita daVenere penetra attraverso le nubi e ladensa atmosfera inferiore sino a raggiun-

gere la superficie. Il pianeta rimane moltocaldo nonostante tutto ciò perché la su-perficie riemette l'energia solare nellaparte infrarossa dello spettro elettroma-gnetico; componenti dell'atmosfera come

MARTE

TERMOSFERA

TROPOSFERA

o

200 400 600

TEMPERATURA (KELVIN)

di Venere. L'atmosfera della Terra (al centro)è più complessa, presentando una suddivisioneintermedia in cui il profilo della temperaturaraggiunge un massimo locale in conseguenzadell'assorbimento di radiazione ultraviolettada parte dello strato di ozono ivi presente.

0 5 10INDICE DI STABILITA (GRADI PER CHILOMETRO

mento convettivo (e quindi le nubi) alla tropo-sfera. Su Venere il modello è simile, anche sesotto le nubi si trova uno strato moderatamen-te stabile. Su Marte l'atmosfera è troppo rare-fatta perché possa svilupparvisi un'instabilitàconvettiva. I dati per l'atmosfera di Venere edi Marte sono stati registrati da veicoli spaziali.I dati per la Terra sono stati forniti da RichardWalterscheid, della Aerospace Corporation.

l'anidride carbonica, l'anidride solforosa,il vapore acqueo e le particelle in sospen-sione nelle nubi assorbono con efficienzala radiazione infrarossa, cosicché il caloreviene catturato nella troposfera. In breve,la troposfera di Venere viene riscaldatadall'effetto serra, come è stato suggeritogià molto tempo fa da Cari Sagan, dellaCornell University, e da James B. Pol-lack, dell'Ames Research Center dellaNational Aeronautics and Space Admini-stration.

Al di sopra della troposfera si estendeuna più sottile atmosfera superiore. Nel-l'emisfero in luce, la parte superiore del-l'atmosfera è riscaldata direttamente dal-la radiazione ultravioletta emessa dalSole e perciò la temperatura aumenta conl'altezza. Un tale aumento si osserva an-che nell'atmosfera superiore della Terra,che è chiamata perciò termosfera. SullaTerra la termosfera è presente giorno enotte. La rotazione su vasta scala dell'at-mosfera col pianeta ha come conseguenzache l'atmosfera superiore riscaldata nelleore diurne viene a trovarsi con periododiurno dalla parte della Terra non illumi-nata dal Sole. Nella parte notturna diVenere, invece, la termosfera scompare;dopo il tramonto del Sole l'atmosferasuperiore si raffredda rapidamente sino atemperature molto inferiori a quelle dellatroposfera. La scomparsa notturna dellatermosfera di Venere fu scoperta dallamissione venusiana Pioneer e a tutt'ogginon è ancora stata spiegata. L'atmosferasuperiore di Venere ruota abbastanzaripidamente da trasportare una grandequantità di calore nell'emisfero oscuro,ma tale calore va in qualche modo perdu-to. In ogni caso abbiamo suggerito che laparte superiore dell'atmosfera di Venerenell'emisfero in ombra, che è anche laparte più fredda di Venere, venga chia-mata «criosfera».

La differenza fondamentale fra l'atmo-sfera di Venere e quella della Terra è chel'atmosfera di Venere è caldissima nellaparte inferiore e fredda nella parte piùalta, mentre per la Terra è vero l'inverso.L'atmosfera inferiore della Terra non hauna massa sufficiente a sostenere un effet-to serra di notevole entità. Una secondadifferenza consiste nel fatto che l'atmo-sfera della Terra presenta una regionemedia in cui la temperatura sale sino a unmassimo locale: ivi il riscaldamento è unaconseguenza dell'assorbimento di radia-zione ultravioletta per opera di uno stratoricco di ozono.

Nella troposfera di Venere le variazioniorizzontali di temperatura sono mol-

to più piccole delle variazioni verticali. Lemassime differenze di temperatura fra la-titudini diverse scoperte dalle sonde Pio-neer erano a livello delle nubi superiori.Qui la sonda nord, che entrò nell'atmo-sfera a una latitudine di 60 gradi, misuròtemperature di 10-20 gradi inferiori ri-spetto a quelle misurate da altre tre sondePioneer. Le temperature massime furonomisurate da una sonda entrata nell'atmo-sfera in prossimità dell'equatore. La spie-gazione di questo modello di variazione

delle temperature su Venere è lo stessoche sulla Terra. Nella regione equatorialedi ciascun pianeta, la radiazione entra nel-l'atmosfera con angoli quasi perpendico-lari alla superficie. Perciò l'assorbimentodi energia solare per area unitaria è mas-simo in prossimità dell'equatore. Su Ve-nere l'energia solare incidente viene as-sorbita per la massima parte nelle regionisuperiori delle nubi.

Fra un'altezza di 70 chilometri e l'iniziodell'atmosfera superiore, a 100 chilome-tri, il gradiente termico fra l'equatore e ipoli si rovescia: a queste altezze le regionipolari sono generalmente più calde diquelle equatoriali. Quest'inversione, sco-perta durante la missione venusiana Pio-neer, non è stata spiegata. Un'inversionesimile del gradiente termico è noto che e-sista anche per la Terra, dove al di sopradel polo invernale si trova la parte più cal-da dell'atmosfera media. Anche la causa diquesto fenomeno è ancora sconosciuta.

Le variazioni di temperatura con lalongitudine nella troposfera di Veneresono assai più piccole delle variazioni inriferimento alla latitudine, come fu rivela-to dalle altre due sonde della missionePioneer Venus, le sonde notturna e diur-na, entrate nell'atmosfera alla stessa lati-tudine (30 gradi sud), ma a una distanzadi più di 110 gradi di longitudine l'unadall'altra. Le temperature misurate daqueste sonde a ciascuna altezza data nondifferirono mai di più di 5 gradi centigra-di. Nell'intervallo fra i 10 e i 20 chilometridal suolo, l'esiguità di questa differenza èun effetto dell'inerzia termica; l'atmosfe-ra inferiore è così densa da conservare lamaggior parte del suo calore anche duran-te il lungo periodo in cui non è illuminatadalla luce del Sole. Ad altezze superiorinella troposfera, la rapida circolazioneatmosferica da est a ovest trasporta caloreattorno al pianeta e riduce il gradiente ditemperatura.

Benché le differenze orizzontali ditemperatura siano piccole, esse devonoessere ciò non di meno la sorgente delleforze che causano i moti dell'atmosfera.Sotto questo punto di vista è particolar-mente importante il gradiente termicolungo la latitudine. L'energia solare cheentra nell'atmosfera di Venere riscaldal'equatore più di quanto non riscaldi ipoli. D'altra parte, l'energia che il pianetaemette nell'infrarosso ha praticamente lastessa intensità a tutte le latitudini a causadell'entità relativamente piccola dellavariazione di temperatura in relazionealla latitudine. Lo squilibrio fra la radia-zione solare incidente e l'energia infra-rossa irraggiata raffredderebbe rapida-mente i poli e condurrebbe a un surriscal-damento all'equatore, se non ci fossero imoti su vasta scala dell'atmosfera che tra-sportano calore dall'equatore verso i poli.Moti del genere esistono anche sulla Ter-ra, benché qui lo squilibrio fra la radia-zione incidente e quella riemessa ai polisia inferiore a quello esistente su Venere.

In che modo, su Venere, il calore si spo-sta dall'equatore verso i poli? Ci si at-

tenderebbe che esso sia legato a un moto

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123

O

10 20 30 40

50 60 70 8090

LATITUDINE (GRADI)

ascendente di una porzione data dell'at-mosfera inferiore alle latitudini equato-riali di Venere. Il posto lasciato libero daquesta massa sarebbe occupato da por-zioni adiacenti, che affluirebbero dal norde dal sud. In questo modo finirebbe conl'instaurarsi una corrente costante, nellaquale l'atmosfera fluirebbe verso i polialle grandi altezze, trasportando il calorein eccesso. Dopo aver riscaldato le regionipolari, queste correnti scenderebbero inregioni inferiori dell'atmosfera e torne-rebbero a dirigersi verso l'equatore a unlivello più basso.

Una circolazione nord-sud di questogenere è nota come «cellula di Hadley».Tutti gli indizi di cui disponiamo ci sugge-riscono che cellule di Hadley si siano for-mate su Venere al livello della coltre dinubi. In particolare, fotografie nell'ultra-violetto eseguite dal veicolo spazialeamericano Mariner 10, quando sorvolòVenere nel 1974, dimostrarono un motoverso i poli alla sommità delle nubi, men-tre misurazioni eseguite da tutte le sondevenusiane Pioneer evidenziarono l'esi-stenza di venti diretti verso l'equatore inprossimità della base delle nubi. Una cel-lula di Hadley si troverebbe su Venereall'altezza delle nubi per il fatto che a talialtezze viene assorbita la maggior parte

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dell'energia solare incidente. La cellula siestenderebbe per tutta la distanza dell'e-quatore a un polo perché la rotazione len-ta del pianeta defletterebbe assai poco lacircolazione dalla sua traiettoria nord--sud. Sulla Terra una cellula di Hadley sitrova poco al di sopra della superficie, illuogo in cui viene assorbita la maggiorparte dell'energia solare. Poiché la Terrapresenta una rotazione relativamenterapida, la cellula di Hadley terrestre nonsi estende oltre le latitudini medie, dove iltrasporto di calore verso i poli è rilevatoda complessi moti ondulatori noti come«vortici baroclini».

Una piccola frazione dell'energia sola-re che raggiunge Venere è assorbita allasuperficie e, poiché tale energia vienedepositata in prevalenza all'equatore,anch'essa dev'essere trasportata verso ipoli. È però improbabile che la cellula diHadley al livello delle nubi partecipi aquesto trasporto. Il fattore più importan-te nell'analisi della circolazione nella cel-lula di Hadley è il gradiente adiabatico,che rappresenta il raffreddamento o il ri-scaldamento di una porzione di atmosferain conseguenza di fenomeni di espansioneo di contrazione quando viene spostataverso l'alto o verso il basso. Se una por-zione viene spostata verso l'alto, per

esempio, entra in una regione in cui lapressione è minore e perciò si espande e siraffredda. In sostanza, il calore contenutonella porzione si distribuisce in un volumepiù grande. La porzione potrebbe oraessere addirittura più fredda dell'atmo-sfera circostante. In tal caso diventerà piùpesante dell'atmosfera che la circonda etenderà a scendere, tornando al suo livel-lo originario. In questa condizione l'at-mosfera è stabile. D'altra parte, la por-zione potrebbe essere ancora (nonostanteil raffreddamento adiabatico) più caldadell'atmosfera circostante. In tal casocontinuerà a salire. L'atmosfera è quindiinstabile ed è suscettibile di overturn: si hacioè una corrente continua dal basso ver-so l'alto e viceversa e il trasporto di caloreavviene per convezione.

Nel valutare la stabilità di un'atmosferasi comparano perciò due quantità: la ve-locità con cui la temperatura varia conl'altezza e il tasso di raffreddamentoadiabatico. Ogni volta che questa secondaquantità è più piccola della prima, l'atmo-sfera è instabile. Quando l'atmosfera diVenere viene analizzata in questo modo,si trova che, immediatamente al di sottodelle nubi, c'è uno strato stabile dellospessore di circa 20 chilometri. Poiché inquesto strato i moti verticali sarebberosoppressi, è dubbio che una singola cellu-la di Hadley possa estendersi dalla super-ficie alle nubi.

Una cellula di Hadley a sé potrebbeoperare in prossimità della superficie, mala presenza di una tale cellula è ancoraargomento di discussione. I venti di dire-zione nord-sud, misurati in strati profondidell'atmosfera di Venere dalle sondevenusiane Pioneer, hanno velocità di solipochi metri al secondo e la loro direzionenon presenta regolarità su vasta scala. Seuna cellula di Hadley si trova molto inbasso nell'atmosfera, la circolazione me-dia nord-sud nell'atmosfera di Veneredovrebbe constare di almeno tre cellule diHadley disposte l'una sull'altra, perché lacellula al livello delle nubi e la cellulanella parte bassa dell'atmosfera dovreb-bero «ingranare» almeno su una cellularotante in direzione contraria compresafra di esse. Se invece non esiste una celluladi Hadley nella parte bassa dell'atmosfe-ra, l'energia solare che penetra sino allivello della superficie deve essere tra-sportata verso i poli dall'effetto netto dimoti vorticosi.

poiché Venere ruota lentamente, ci si

k potrebbe attendere che la circolazio-ne in direzione nord-sud costituisca latotalità della circolazione atmosferica. Daun lato, le variazioni stagionali sul pianetadovrebbero essere insignificanti. L'orbitaellittica di Venere si discosta solo legger-mente da un cerchio, cosicché il pianetamantiene una distanza dal Sole quasi co--stante. Inoltre il suo asse di rotazione èquasi perpendicolare al piano dell'orbita.A qualsiasi latitudine, quindi, l'intensitàdella radiazione solare varia solo legger-mente nel corso dell'anno.

Sorprendentemente, l'attesa di unmodello di circolazione semplice nell'at-

L'equilibrio radiativo fra energia solare assorbita e riemessa viene raggiunto su Venere, sullaTerra e su Marte in conseguenza del fatto che l'atmosfera di ciascun pianeta trasporta caloredall'equatore ai poli. All'equatore la quantità di radiazione che ciascun pianeta riceve dal Sole(curve in nero) supera la quantità che esso riemette sotto forma di radiazione infrarossa (curve incolore). L'eccesso è trasportato verso i poli. Qui la quantità di radiazione emessa dal pianetasupererebbe la quantità che riceve, se non fosse per il flusso verso i poli. Poiché il bilancioradiativo non è stato misurato estesamente su Marte, le curve relative sono ipotetiche. Ladifferenza fra la curva della radiazione incidente e la curva della radiazione riemessa su Mar-te è piccola, perché l'atmosfera marziana è troppo tenue per poter contenere molto calore.

124

VENERE

CELLULE DI HADLEY IPOTETICHE

CELLULA DI HADLEY

SUPER-ROTAZIONEDA EST VERSOOVEST

CORRENTI VORTICOSE

CELLULEDI HADLEY

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mosfera è stato contraddetto dai fatti. Lacircolazione media nord-sud è sopraffattadai venti molto più impetuosi diretti daest verso ovest, i quali cominciano a unadecina di chilometri al di sopra della su-perficie e si estendono sino ad altezze di90 chilometri o più. Sino al livello dellenubi la velocità del vento aumenta conl'altezza, raggiungendo una velocità di 30metri al secondo a un'altezza di 30 chilo-metri e una velocità di 100 metri al secon-do ad altitudini delle nubi di 60 chilome-tri. A quest'ultima velocità il vento de-termina una super-rotazione con periododi quattro giorni delle strutturazioni ul-traviolette presenti nelle nubi. All'altezzadelle nubi, inoltre, la sovrapposizione del-la circolazione verso ovest e della piùdebole circolazione di Hadley danno ori-gine a un vortice che converge a ciascunpolo. Il vortice fu riconosciuto per la pri-ma volta in una fotografia composita delpolo sud realizzata da Verner E. Suomi eda Sanjay S. Limaye dell'Università delWisconsin a Madison, ottenuta nel 1978da fotografie di Venere nell'ultraviolettoriprese da Mariner 10 da latitudini piùvicine all'equatore.

La super-rotazione fu scoperta per laprima volta quando osservazioni compiu-te dalla Terra rivelarono che taluni parti-colari macroscopici dell'atmosfera diVenere compiono un giro attorno al pia-neta con periodo di quattro giorni. Taliparticolari erano visibili in fotografie delpianeta nell'ultravioletto. Finché le sondevenusiane delle serie Venera e Pioneernon misurarono la velocità del vento,però, non si poteva essere certi se il mo-vimento dei particolari nell'ultraviolettorappresentasse movimenti di massa nel-l'atmosfera o non si trattasse invece della

Lo schema dei venti della parte inferiore del-l'atmosfera di Venere differisce marcatamenteda quello terrestre. Su Venere (disegno inalto) i dati registrati dalle sonde suggerisconoche all'altezza delle nubi, a circa 60 chilometridal suolo, l'atmosfera circoli in una correnteche ascende all'equatore, si sposta verso i poli,dove si raffredda e ridiscende, facendo poi ri-torno all'equatore. Questo schema, che è dettocellula di Hadley, rappresenta il flusso verso ilpolo del calore del Sole assorbito dalle nubi. Ildisegno illustra altre due cellule di Hadley, lacui esistenza è però ipotetica. La cellula piùvicina alla superficie dovrebbe assicurare il tra-sporto di calore nella parte inferiore dell'at-mosfera; lo strato stabile appena sotto le nubipare impedire al calore assorbito in prossimitàdella superficie di salire all'altezza delle nubi.Se la cellula inferiore esiste veramente, dev'es-serci anche una cellula intermedia in controro-tazione fra le altre due. Il flusso da nord versosud nelle cellule di Hadley ha una velocità disoli pochi metri al secondo. A questo moto sisovrappone la rotazione da est verso ovestdell'atmosfera (linee bianche), che all'altezzadelle nubi raggiunge una velocità di circa 100metri al secondo. Sulla Terra (disegno in bas-so), in prossimità della superficie si trova unacellula di Hadley. Essa si estende solo fino alatitudini medie, dove la rotazione del piane-ta interrompe il suo moto regolare in direzio-ne nord-sud. Da questo punto in avanti il tra-sporto di calore verso i poli è l'effetto nettodi movimenti vorticosi in continua mutazione.

STRATI DI NUBI

----------------CORRENTE DA SUBSOLARE AD ANTISOLARE\--...._,.,

------

VERSO IL SOLE

SUPER-ROTAZIONE DA ESTVERSO OVEST

TERRA VENERE

FORZA DI CORIOLIS

ROTAZIONE DEL PIANETA

• CORRENTE ETTO

PRESSIONE PRESSA÷

SUPER-ROTAZIONEDA EST VERSO OVEST

FORZACENTRIFUGA

propagazione di un'onda in un'atmosferaaltrimenti placida. Oggi è generalmenteaccettata la tesi che le strutture su vastascala nell'ultravioletto siano causate daonde planetarie, ma che il moto ondoso sipropaghi lentamente rispetto alla rota-zione dell'atmosfera. Quel che sospingele strutture visibili attorno al pianeta è inrealtà il vento che si muove da est a ovest.

La precisa natura delle onde planetarierimane difficile da determinare. Il pro-

blema consiste nel fatto che le sostanzeresponsabili dell'assorbimento di radia-zione ultravioletta, che producono quindile strutture su vasta scala visibili nell'ul-travioletto, non sono state tutte identifi-cate. Specificamente, l'assorbimento diradiazione a lunghezze d'onda ultravio-lette corte può essere attribuito ad anidri-de solforosa, ma l'assorbimento a lun-ghezze d'onda maggiori rimane inspiega-to. La sostanza che assorbe a lunghezze

d'onda maggiori non può essere l'acidosolforico, il principale componente dellenubi, dal momento che esso è trasparentealla radiazione ultravioletta. Gli «assorbi-tori» della radiazione potrebbero essereconcentrati al di sotto della sommità dellenubi, in aree del pianeta che sono lumino-se nell'ultravioletto. Moti verticali indottidal passaggio di un'onda planetaria po-trebbero dare allora origine a contrastonell'immagine ultravioletta del pianeta

Si suppone che i venti nell'atmosfera superiore di Venere siano il ri-sultato della sovrapposizione di due flussi-base: la rotazione verso ovestdell'atmosfera (linee nere) e una circolazione simmetrica (frecce bian-che), nella quale i venti ascendono nell'emisfero diurno del pianeta ediscendono in quello notturno. Benché i venti nell'atmosfera superiore

non siano stati misurati direttamente, la sovrapposizione qui illustrata ècorroborata da misurazioni le quali indicano che la densità dell'atmo-sfera superiore è minima in un punto dell'emisfero notturno del pia-neta spostato verso ovest rispetto al punto antisolare. È come se la cor-rente discendente venisse spostata dalla corrente diretta verso ovest.

Il bilancio di forze che conserva i moti atmosferici su un pianeta inrapida rotazione (come la Terra, Marte, Giove o Saturno) differisce dalbilancio che si ha in un pianeta in rotazione lenta come Venere. Inciascun caso il maggiore assorbimento di calore all'equatore del pianetadetermina l'instaurarsi di un gradiente di pressione che sospinge l'at-mosfera verso i poli. Sulla Terra (a sinistra) alla pressione si opponeprimariamente la forza di Coriolis: la deviazione di una porzione del-l'atmosfera in direzione perpendicolare alla sua traiettoria in conse-guenza del fatto che essa si trova su una sfera in rotazione. La corren-

te a getto della Terra, per esempio, è sostenuta da un tale bilancio diforze; la forza di Coriolis spinge la corrente a getto verso l'equatore econtrasta la pressione che la fa muovere verso il polo. Questa condi-zione è chiamata «equilibrio geostroflco». Su Venere (a destra) la for-za di Coriolis è trascurabile. Il moto di una porzione che circola attornoal pianeta nell'ambito della rotazione verso ovest dell'atmosfera lasottopone invece a una forza centrifuga, la quale controbilancia la pres-sione diretta verso il polo, allontanando la porzione dall'asse di rota-zione del pianeta. Questa condizione è detta «equilibrio ciclostrofico».

128

Piccole onde atmosferiche sono visibili in fotografie nell'ultravioletto riprese dall'orbiter Pio-neer Venus. In questa fotografia in particolare le onde appaiono come una serie di righediagonali scure al centro dell'immagine. Ciascuna riga è lunga approssimativamente 1000 chi-lometri ed è separata di circa 200 chilometri dalla riga che la precede e da quella che la segue.

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oNumerose cellule dai bordi brillanti nell'emisfero diurno di Venere sono visibili in una foto-grafia eseguita dal veicolo spaziale Mariner 10 quando sorvolò il pianeta nel 1974. Ciascunacellula ha un diametro di alcune centinaia di chilometri e alcune cellule sono distintamentepoligonali. Si ritiene che si tratti di cellule di convezione, ossia luoghi in cui si ha una circola-zione verticale dell'atmosfera, con moti ascendenti di aria calda compensati da moti discenden-ti di aria fredda. Questo overturn è determinato presumibilmente da energia solare assorbitavicino alla sommità delle nubi. Non sono ancora stati identificati tutti i componenti in traccedell'atmosfera il cui assorbimento di radiazione dà origine alle strutturazioni visibili nell'ultra-violetto. La fotografia è stata fornita da Michael J. S. Belton, del Kitt Peak National Observa-tory. Il disegno in basso illustra la posizione delle cellule di convezione di maggiore importanza.

facendo salire gli assorbitori a un'altezzamaggiore, dove il loro assorbimento diradiazione ultravioletta oscurerebbe ta-lune parti dell'immagine.

Non conosciamo bene neppure la per-sistenza del moto circolare col perio-

do di quattro giorni al crescere dell'altez-za al di sopra della sommità delle nubi. Idati trasmessi dal Pioneer Venus suggeri-scono che la velocità del vento raggiungaun massimo di circa 150 metri al secondoa un'altezza di 70 chilometri e diminuiscapoi con l'altezza fra i 70 e i 90 chilometri.

A quote superiori a 150 chilometri lacircolazione dell'atmosfera è stata misu-rata solo con metodi indiretti. Per esem-pio, uno spettrometro di massa a bordodel veicolo orbitale Pioneer Venus misurala densità di sostanze come l'azoto, l'ani-dride carbonica e l'elio nella parte altadell'atmosfera. Il veicolo orbitante vieneinoltre seguito da Terra mentre compie lasua rivoluzione attorno al pianeta. Il lentoabbassamento della sua orbita è causatodalla resistenza dell'atmosfera, la qualedipende a sua volta dalla densità della

stessa. Grazie all'applicazione di entram-bi questi metodi è stato dimostrato che laposizione della densità minima nell'atmo-sfera superiore è nettamente a ovest delpunto opposto al Sole nell'emisfero not-turno del pianeta.

Questa scoperta suggerisce che si do-vrebbe correggere un'ipotesi anteriore.Prima della missione Pioneer su Venere,molti ricercatori si attendevano che ilriscaldamento della parte dell'atmosferasuperiore rivolta verso il Sole si sarebberivelato il fattore che influiva maggior-mente sulla circolazione dell'atmosferasuperiore di Venere. Secondo tale ipote-si, una porzione dell'atmosfera superio-re dovrebbe salire nella regione di fron-te al Sole, fluire poi nella parte notturnadel pianeta e ridiscendere. Il modellocomplessivo della circolazione sarebbein tal modo simmetrico attorno a una li-nea congiungente il centro del Sole colcentro di Venere. Le misurazioni esegui-te nel quadro della missione Pioneer im-plicano invece un modello più comples-so, nel quale una super-rotazione diret-ta da est verso ovest potrebbe deviare

il bordo discendente della circolazione.Perché la circolazione dominante a tut-

te le altezze è una super-rotazione direttaverso ovest? Questo rimane il massimomistero sull'atmosfera di Venere. La dif-ficoltà essenziale è che ci si attende cheun'atmosfera ruoti in modo più o menosolidale con il pianeta sottostante; se essaha una rotazione più veloce, ci si deveimmaginare un meccanismo per mezzodel quale una certa quantità di momentoangolare sia trasportata verso l'alto a par-tire dalla superficie del pianeta. In effettiè la superficie del pianeta a dover fornirela forza motrice dell'atmosfera.

Un meccanismo che potrebbe spiegareil trasferimento verso l'alto di momentoangolare è l'effetto della fiamma mobile.Immaginiamo una fiamma accesa sottoun recipiente contenente un fluido eimmaginiamo inizialmente che la fiammasia immobile. Nel corso di un certo perio-do di tempo si sviluppa una cellula di con-vezione, in cui il fluido situato diretta-mente al di sopra della fiamma sale e ilfluido circostante scende. Poiché lafiamma è immobile, sia il lembo ascen-dente sia il lembo discendente della cellu-la di convezione sono verticali. Immagi-niamo ora che la fiamma sotto il fluido simuova costantemente da sinistra a destra.La parte inferiore della cellula verrà atrovarsi spostata a destra della parte su-periore. Perciò i lembi della cellula si tro-veranno a essere inclinati: il fluido ascen-dente si muoverà verso sinistra e il fluidodiscendente si muoverà verso destra. Inesperimenti di laboratorio nel corso deiquali è stato usato un anello di fluidi èemerso che questi effetti si rafforzano re-ciprocamente e che l'intero fluido scorreverso sinistra. Il fluido scorre, quindi, indirezione opposta a quella verso cui simuove la fiamma.

Su Venere, che ruota da est verso ovest,il Sole si muove in cielo da ovest verso est.Un effetto di fiamma mobile causato daquesto moto verso est del Sole potrebbeperciò determinare per accumulo la su-per-rotazione verso ovest. Certo il Sole sitrova al di sopra dell'atmosfera di Vene-re, mentre la fiamma si trova sotto lo stra-to di fluido. Su Venere la situazione è resaperò più complessa dagli strati stabili del-l'atmosfera, i quali tendono a resisterealla formazione di cellule di convezione.Un esempio è costituito dallo strato che sitrova al di sotto delle nubi. In un calcoloeseguito da uno di noi (Schubert) conRichard E. Young dell'Ames ResearchCenter, le ipotetiche cellule di convezionesu Venere non risultano semplicementeinclinate: il loro profilo verticale ha laforma di un boomerang. Secondo il calco-lo, è concepibile che tali cellule possanoimpartire all'atmosfera una rotazionenetta verso ovest.

Secondo un'altra ipotesi, suggerita daPeter J. Gierasch della Cornell Universi-ty, la circolazione di Hadley trasporte-rebbe momento angolare in alto nell'at-mosfera. Secondo questa concezione, unaporzione dell'atmosfera che ascende al-l'equatore porta con sé un momento an-golare corrispondente a quello della su-

perficie all'equatore, e quando la porzio-ne si muove verso il polo in una cellula diHadley cede una parte della sua quantitàdi moto all'atmosfera circostante. Quan-do la porzione di atmosfera ridiscendeverso la superficie, riguadagna quantitàdi moto, e così il ciclo continua. Forse ilciclo funziona nonostante l'accumulo inverticale di tre o più cellule di Hadley.Un'analisi di fotografie nell'ultraviolettoeseguite durante il passaggio ravvicinatodi Mariner IO a Venere nel 1974 dimo-stra che, a latitudini comprese fra 40 e 45gradi, le strutture delle nubi visibili nel-l'ultravioletto si muovevano verso ovestcon una velocità un po' maggiore diquanto si muoverebbero se l'atmosferaruotasse con rotazione rigida, ossia allastregua di un corpo solido. William B.Rossow e colleghi, al Goddard Institutefor Space Studies, hanno suggerito chemomento angolare trasportato verso l'al-to dalla circolazione di Hadley avrebbepotuto costruire per accumulo questogetto e che la turbolenza attorno al gettostesso potrebbe disperdere il momentoangolare nell'intera atmosfera. Nei datiforniti dai veicoli Pioneer per Venere,però, non è stato riscontrato alcun gettodel genere.

Una cosa è certa: l'atmosfera di Venereè condizionata da un bilancio di for-

ze fondamentalmente diverso da quellodell'atmosfera della Terra o di Marte, oanche di Giove e di Saturno. La ragionedella sua peculiarità va vista nella rota-zione lenta del pianeta. Su ciascun piane-ta il trasporto di calore verso i poli peropera dei venti corrisponde a un gradien-te nella pressione atmosferica: la pressio-ne è maggiore all'equatore di quanto nonsia ai poli. Su un pianeta in rapida rota-zione come la Terra, la spinta verso i polisu una data porzione dell'atmosfera con-seguente a tale gradiente di pressione ècontrobilanciata dalla forza di Coriolis: ladeviazione di una porzione dell'atmosfe-ra ad angolo retto rispetto alla sua traiet-toria nord-sud per il fatto di trovarsi suuna sfera in rotazione. (Per un osservato-re situato a una certa distanza dal pianetasarebbe evidente che la deviazione corri-sponde alla rotazione del reticolo di coor-dinate geografiche del pianeta - latitudinee longitudine - al di sotto del vento. Per unosservatore in moto con il pianeta è ilvento che dà l'impressione di essere de-viato.) La forza di Coriolis che si esercitasu una porzione data di atmosfera è pro-porzionale alla velocità della porzione.

Poiché Venere ruota lentamente, laforza di Coriolis è trascurabile. Quantoallo spostamento verso i poli che si eserci-ta su una porzione di vento circolante at-torno al pianeta da est verso ovest nel-l'ambito della super-rotazione globaledell'atmosfera, esso è controbilanciatodalla forza centrifuga che tende ad allon-tanare la porzione dall'asse di rotazionedel pianeta, come fu osservato per la pri-ma volta da Conway B. Leovy dell'Uni-versità di Washington. Poiché la forzacentrifuga dipende dal quadrato della ve-locità della porzione, essa è fondamental-

mente differente dalla forza di Coriolis.Le fotografie dell'atmosfera di Venere

nell'ultravioletto rivelano una varietà distrutture atmosferiche che troverannopresumibilmente una spiegazione in ac-cordo con l'equilibrio insolito di forze ivivigente. Le strutture più vaste sono quellesu scala planetaria che rivelarono per laprima volta la rotazione verso ovest conperiodo di quattro giorni. In precedenzaabbiamo rilevato l'associazione di talistrutture con le onde planetarie. Senzadubbio le onde si propagano verticalmen-te oltre che orizzontalmente; esse posso-no perciò trasportare quantità di motoverso l'alto nell'atmosfera, cosicché po-trebbero avere una funzione nel sostene-re la circolazione con periodo di quattrogiorni. Su scala più piccola, una parte del-le fotografie di Venere eseguite da veicoli

Pioneer hanno rivelato sequenze di onde.In un caso le onde consistevano di bandescure lunghe circa 1000 chilometri sepa-rate fra loro da un intervallo di circa 200chilometri. Le onde furono osservate allelatitudini australi medie di Venere ederano disposte a un grande angolo rispet-to ai paralleli del pianeta.

Strutture poligonali compaiono in al-cune fotografie nell'ultravioletto. Si trattasenza dubbio di cellule di convezione.Finché non sarà possibile identificare tuttigli assorbitori atmosferici della radiazio-ne ultravioletta che modulano le immagi-ni nell'ultravioletto, non si potrà dire se ilcentro scuro di ciascuna di tali cellule sia ono il luogo in cui l'atmosfera sta scenden-do: potrebbe in effetti essere vero anchel'inverso. In ogni caso le cellule di conve-zione sono visibili per lo più nella parte

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dell'atmosfera situata direttamente difronte al Sole oppure a occidente (ossiasottovento) di tale regione. L'assorbi-mento della radiazione solare in questeregioni è a quanto pare sufficiente a in-durre fenomeni di convezione in prossi-mità della parte alta delle nubi. Un'analisidella stabilità dell'atmosfera fondata sumisurazioni eseguite dalle sonde venusia-ne Pioneer entrate nell'atmosfera nelprimo mattino dimostra che uno stratoche si trova circa 10 chilometri al di sottodella sommità delle nubi è instabile e su-scettibile di overturn convettivo. Questostrato instabile deve continuare ad ad-densarsi per l'intera durata del mattino,cosicché nel pomeriggio la parte superio-re delle cellule convettive risulta visibileda sopra le nubi.

Onde e cellule di convezione sono dueesempi di moti vorticosi: variazioni a bre-ve termine sovrapposte allo stato mediodell'atmosfera. Tali moti sono presenti aogni scala di spazio e a ogni altezza. Indizidella loro esistenza sono individuabili nonsolo nelle fotografie nell'ultravioletto, maanche nelle registrazioni della temperatu-ra e della velocità del vento eseguite dallesonde venusiane Pioneer. L'atmosfera diVenere presenta sorprendentementeanche variazioni su una scala di tempo dimesi o addirittura di anni. Un esempiodella variabilità a lungo termine è unmutamento apparente nella circolazionedominante verso ovest. Da quando leprime sonde della missione Pioneer en-trarono nell'atmosfera di Venere nel di-cembre 1978, l'atmosfera al livello dellenubi ha presentato una rotazione simile aquella di un corpo solido, mentre all'epo-ca del Mariner 10, circa quattro anni pri-ma, le latitudini medie ruotavano più ve-locemente delle altre parti dell'atmosfe-ra. (Questo fenomeno costituiva il gettonominato sopra.) È difficile comprenderequale possa essere la causa di un tale mu-tamento, se si considerano la costanzadella radiazione solare incidente su Vene-re e le ondulazioni dolci che, come oggisappiamo, caratterizzano la superficie delpianeta.

l'esplorazione dell'atmosfera di Venere

ne ha già rivelato la temperatura mol-to alta in prossimità della superficie, lasuper-rotazione, la cellula di Hadley alivello delle nubi, i vortici polari, la crio-sfera nella parte notturna e i poli caldi aldi sopra delle nubi. Una collaborazione digruppi sovietici e francesi sta progettandodi collocare un pallone molto al di sottodelle nubi di Venere. La data prevista perquest'impresa è il 1984. Il pallone saràseguito quando il vento che spira versoovest lo sospingerà attraverso il lato diur-no del pianeta. Una missione progettatadagli Stati Uniti per la metà degli anniottanta potrebbe trasportare strumentidestinati a raccogliere dati sull'atmosferasuperiore, che anche l'orbiter PioneerVenus sta continuando a sondare. L'e-splorazione dell'atmosfera di Venere hagià dato risultati superiori a ogni aspetta-tiva, e le scoperte che rimangono inspie-gate meritano certo altri sforzi.

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