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5 minuti di letturaSu Giove ci sono fulmini che non dovrebbero esistere e grandinate d’ammoniaca

La sonda NASA Juno è in orbita attorno a Giove dal 2016 e ne studia l’atmosfera in grandissimo dettaglio. In queste settimane di agosto due nuove scoperte sono state pubblicate grazie ai dati raccolti dalla sonda Juno: la scoperta di fulmini a quote in cui non dovrebbero esistere e la scoperta di grandinate di ammoniaca, e non d’acqua, nell’atmosfera del pianeta più grande del Sistema solare.

Guardate la foto qui sotto: è uno scorcio turbolento delle nubi Giove, ripreso dalla sonda NASA Juno. Sembra tutto calmo all’apparenza, ma in realtà c’è una turbolenza incredibile: le nubi come quelle di questa immagine sono teatro di fulmini e grandinate come vi racconterò in questo post.

Uno scorcio di Giove. Crediti: NASA Juno
Tuoni e fulmini, ma del resto siamo su Giove

I primi fulmini su Giove sono stati pensati dall’epica dell’antica Grecia, quando a Giove si associò il primato tra gli dei e la celebre folgore. In realtà, i primi fulmini su Giove sono stati osservati nel 1979 dalle sonde NASA Voyager. L’idea, all’epoca e dopo le osservazioni, fu quella di un meccanismo di produzione dei fulmini simile a quello che c’è qui da noi sulla Terra: nuvole d’acqua, separazione tra cariche elettriche positive e negative dovute a collisioni tra gocce d’acqua, infine scariche elettriche e fulmini (ho riassunto quello che invece trovate spiegato per bene nel post La fisica del temporale).

NASA Juno ha però sparigliato le carte: lo strumento di Juno chiamato Stellar Reference Unit (SRU) ha osservato fulmini ad altitudini di Giove dove le condizioni di pressione dell’atmosfera di Giove (ricordo che Giove è composto principalmente da idrogeno ed elio, ma anche ammoniaca e un poco di acqua) sono tali per cui l’acqua non esiste allo stato liquido; questo perché i fulmini sono stati osservati da Juno SRU ad altitudini dove la pressione è circa 2 volte la pressione atmosferica terrestre e di conseguenza la temperatura è di circa -70 gradi Celsius. E allora dove sono le gocce liquide che collidono per produrre i fulmini? Capite subito che viene a mancare il meccanismo principale, simile a quello terrestre, ipotizzato finora per la formazione dei fulmini su Giove.

Si potrebbe pensare che magari una qualche corrente ventosa sarebbe in grado di trasportare le gocce d’acqua fino alle altitudini osservate da Juno SRU, ma di nuovo, comunque si tratta di altitudini con temperature pari a circa -70 gradi, quindi niente acqua liquida. Tutto ciò vuol dire solo una cosa: ci deve essere qualcos’altro di liquido a quelle altitudini, altrimenti non potremmo osservare i fulmini.

E qui entra in gioco l’ammoniaca.

Il meccanismo che produce fulmini grazie al mix di ammoniaca e acqua nelle nubi di Giove.
Crediti: Becker, H.N., Alexander, J.W., Atreya, S.K. et al. Small lightning flashes from shallow electrical storms on Jupiter. Nature 584, 55–58 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2532-1

Un recente articolo scientifico a firma Becker, Alexander, Atreya et al. (del NASA JPL i primi due, della University of Michigan il terzo) spiega che cosa può accadere. L’immagine qui sopra mostra il seguente meccanismo: le correnti ventose trascinano su le gocce d’acqua; queste gocce incontrano l’ammoniaca e formano un mix di acqua e ammoniaca, il quale in quelle condizioni fisiche resta liquido; poi questo mix di ammoniaca e acqua, cadendo verso il basso, si scontra con le altre gocce di acqua che salgono permettendo lo scambio di cariche elettriche tramite le collisioni.

Et voilà, ecco i fulmini su Giove che ha osservato Juno SRU.

Gli astrofisici non trascurano il fatto che magari il meccanismo che produce i fulmini su Giove osservati da Juno SRU si formino in totale assenza di liquidi. Sulla Terra sono stati osservati alcuni fulmini nelle nubi a incudine (cumulonenbi) che si formano anche sopra i 10 km di altitudine terrestre. Qui, con temperature di –45 gradi Celsius, possono avvenire trasferimenti di cariche anche tra cristalli di ghiaccio: magari avviene questo anche su Giove? È lecito porsi questo dubbio. Voi potreste dire: ma perché non ci hai dato prima questa spiegazione? Il motivo è che il meccanismo che coinvolge l’ammoniaca è molto interessante perché permette di risolvere anche un altro mistero su Giove: in passato sono state osservate regioni dell’atmosfera di Giove in cui l’ammoniaca era in concentrazioni più basse del previsto. Se c’è una qualche pioggia o grandinata di un mix di ammoniaca e acqua allora abbiamo preso due piccioni con una fava, cioè spiegato due fenomeni con una sola teoria. Staremo a vedere i futuri dati di Juno se riusciranno a confermare tutto.

Grandinata di ammoniaca

Ma finiamo il nostro viaggio nell’atmosfera di Giove. Come vi ho detto, il mix di ammoniaca e acqua a un certo punto inizia a cadere verso quote più basse; all’inizio, nelle nubi gioviane, si scontra con altre gocce d’acqua e si formano i fulmini osservati da Juno SRU e protagonisti di questo post. Poi però il mix di ammoniaca e acqua continua a scendere e qui che succede?

L’acqua risale nelle parti più alte dell’atmosfera di Giove, si mischia con l’ammoniaca e forma dei cristalli. Questo mix diventa ghiacciato durante la caduta e poi evapora a quote più basse. Crediti: NASA/JPL

Ciò che succede è spiegato in un altro articolo scientifico, a firma Guillot, Stevenson, Atreya, Bolton, Becker.

Il meccanismo, mostrato nella figura qui sopra è simile a quello per cui si forma la grandine sulla Terra, ovvero palline ghiacciate che si formano per accrescimento di altre particelle. Su Giove la fase iniziale è quella che abbiamo detto prima: l’acqua sale a quote più elevate e incontra l’ammoniaca. A questo punto si forma una pallina con un nucleo di ammoniaca che, durante la ricaduta, raccoglie via via gocce d’acqua. Continuando a cadere la pallina, composta da un mix di due terzi di acqua e un terzo di ammoniaca, ghiaccia esternamente. Quindi non si tratta di vera e propria grandine, ma di qualcosa di un po’ più morbido. Infine, a quote più basse, queste palline evaporano e finiscono il loro viaggio.

In sostanza dunque l’acqua risalendo a quote più alte va a saccheggiare l’ammoniaca e la porta a quote più basse: come dicevo prima, questo è un meccanismo che spiega perché in alcune regioni dell’atmosfera di Giove la concentrazione di ammoniaca è minore rispetto ad altre.

Che cosa ne facciamo di questi studi?

A parte la bellezza di aver forse compreso un fenomeno all’apparenza inspiegabile, lo studio dei fenomeni atmosferici di Giove è essenziale per la planetologia, cioè la scienza che studia i pianeti. È vero che non potremo mai poggiare i piedi sulla superficie di Giove perché Giove è un pianeta gassoso e quindi privo di superficie; però i pianeti gassosi sono molto importanti dal punto di vista della formazione dei sistemi planetari. Molti esopianeti scoperti nella nostra galassia sono giganti gassosi come Giove: studiare Giove da vicino è quindi un po’ capire quei mondi troppo lontani. Magari, se capiamo per bene le informazioni che otteniamo dall’atmosfera di Giove, forse un giorno potremo individuare con più facilità i segnali dalle atmosfere degli esopianeti lontani e capire se sistemi planetari distanti possono avere qualche attinenza con il nostro Sistema solare.

Chissà. Noi intanto studiamo, capiamo e non smettiamo di essere curiosi.

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