Coreografia dei vortici di Giove e Saturno

Giove e Saturno sono i due giganti del Sistema solare. I due pianeti per certi aspetti sono molto simili: hanno dimensioni comparabili, sono fatti della stessa pasta - idrogeno ed elio gassoso - e ruotano a velocità simili. Tuttavia, sotto altri punti di vista sono molto diversi. Una di queste differenze riguarda, ad esempio, la struttura dei giganteschi vortici che ricoprono i loro poli, il risultato di poderosi cicloni atmosferici prodotti probabilmente da fenomeni di convezione termica profonda.

Le immagini di Giove ottenute dalla sonda spaziale Juno della Nasa, in orbita attorno al pianeta dal 2016, mostrano nel polo nord del pianeta la presenza di un grande vortice centrale circondato da otto vortici più piccoli, ciascuno dei quali ha un diametro di circa tremila chilometri. North Polar Cyclone Cluster, è così che gli addetti ai lavori chiamano nel complesso la struttura, la cui formazione potrebbe dipendere dagli stessi processi fisici alla base dei moti vorticosi negli oceani della Terra.

Le istantanee di Saturno, inviateci dalla missione congiunta Nasa, Esa e Asi Cassini prima del suo gran finale, hanno rivelato un polo nord in cui è presente un unico, colossale vortice dalla peculiare forma esagonale, il cui diametro è oltre due volte quello della Terra.

Gli scienziati si chiedono da diverso tempo cosa produca queste differenti geometrie, senza tuttavia ottenere una risposta. Due ricercatori del Massachusetts Institute of Technology pare ora abbiano risolto il mistero, individuando un possibile collegamento tra questi schemi di circolazione atmosferica superficiale e la composizione dei pianeti. I risultati del loro studio, pubblicato sui Proceedings of the National Academy of Sciences, suggeriscono che il numero e la dimensione dei vortici polari (multipli su Giove, uno singolo su Saturno) siano determinati dalla densità della base del vortice stesso.

Per giungere a questa conclusione, il team di ricerca ha sviluppato un modello bidimensionale che simula la dinamica dei fluidi superficiali dei pianeti. La scelta di un modello 2D, nonostante i vortici siano fenomeni tridimensionali, è stata giustificata dalla rapida rotazione dei pianeti

«In un sistema in rapida rotazione, il movimento del fluido tende ad essere uniforme lungo l'asse di rotazione», dice a questo proposito Wanying Kang, ricercatrice al Mit e coautrice della pubblicazione. «Proprio perché il modello di circolazione del fluido non cambia, abbiamo semplificato un problema di dinamica tridimensionale in un problema in due dimensioni. Questo», continua la scienziata, «rende le simulazioni e lo studio dei sistemi di circolazione centinaia di volte più veloci ed economici».

Il modello utilizzato si basa su un codice esistente, precedentemente utilizzato per descrivere i cicloni alle medie latitudini sulla Terra, ma adattato in questo caso per le regioni polari di Giove e Saturno. Nello studio i ricercatori hanno eseguito molteplici simulazioni, variando in ciascuna i parametri chiave come le dimensioni del pianeta, la velocità di rotazione, il riscaldamento interno e la "morbidezza" o "durezza" del fluido in rotazione. Hanno quindi impostato una condizione di "rumore" casuale, in cui il fluido inizialmente scorreva secondo schemi casuali sulla superficie del pianeta. Infine, hanno osservato l'evoluzione della circolazione atmosferica e le strutture polari che essa produceva nel tempo, date le condizioni specifiche impostate.

I risultati hanno mostrato una chiara correlazione tra la geometria dei vortici ciclonici polari e la densità della materia alla loro base: i cicloni la cui base era costituita da materia poco densa producevano costantemente vortici multipli, mentre quelli con una base costituita da materia più densa evolvevano in un unico grande vortice.

L'ipotesi dei ricercatori è che se la base di un vortice è composta da materia più leggera, la sua crescita è limitata. Questo impedisce a un singolo vortice di dominare l'intera regione polare, permettendo invece la coesistenza di più vortici di dimensioni minori, come osservato su Giove. Se, al contrario, la base del vortice è composta da materia più densa, esso può crescere fino a dimensioni molto maggiori. Un vortice così grande può inglobare i vortici più piccoli vicini, fondendosi per formare un'unica, colossale struttura, come quella osservata su Saturno.

«Il nostro studio mostra che, a seconda delle proprietà interne e della "leggerezza" della base del vortice, cambia il tipo di configurazione che si osserva in superficie», sottolinea Kang. «Non credo che finora qualcuno abbia messo in relazione in modo diretto la struttura dei vortici atmosferici superficiali con le caratteristiche interne di questi pianeti», aggiunge la ricercatrice.

Se questo meccanismo fosse effettivamente in gioco su entrambi i giganti gassosi, ciò suggerirebbe che gli strati interni dell'atmosfera di Giove potrebbero essere meno densi, mentre quelli di Saturno potrebbero essere più compatti.

Jiaru Shi, ricercatore al Mit e primo autore della pubblicazione, conclude: «I vortici che osserviamo sulle superfici di Giove e Saturno potrebbero dirci qualcosa circa il loro interno. Questo è importante, perché, forse, sotto la superficie di Saturno, l'interno è più ricco di metalli e contiene più materia condensabile, il che gli consente una maggiore stratificazione rispetto a Giove».

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