Date post: | 01-May-2015 |
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Caratteristiche, origine e dinamica dei “faint rings” di Giove e Saturno
Sistemi Planetari
Mario GennaroMario Gennaro
Tra la fine degli anni ’70 e l’inizio degli ’80 le sonde Pioneer 10 e 11 e Voyager 1 e 2 rilevano la presenza di un sistema di anelli (molto tenui) intorno a Giove e confermano l’esistenza di un anello esterno (anello E) di Saturno “centrato” sull’orbita di Enceladus. Successivamente la sonda Galileo e il telescopio Keck distinguono i gossamer rings.
Le Le osservazioniosservazioni
Anello Prof. ottica H (km)
Halo 5 ∙ E-6 5 E4 (max)
Main Ring 5 ∙ E-6 ≤ 30
Inner Gossamer
E-7 ≈ 2300
Outer Gossamer
3 ∙ E-8 ≈ 8500
E Ring5 ∙ E-7 (max)
E3 – E4
Da J.A. Burns et al. (1999)
Le osservazioni
Grazie alle osservazioni in situ della luce riflessa a vari angoli di scattering è possibile avere importanti informazioni sulle dimensioni e la composizione delle
particelle che costituiscono tali anelli.
In particolare si osserva una forte amplificazione della luce in forward scattering rispetto al back scattering. Tale amplificazione sta ad indicare che la diffrazione è
dominante e, quindi, che la dimensione tipica dei grani è dell’ordine della lunghezza d’onda della luce (λSUN ~ 0.5 μm).
Le osservazioni
L’effettiva interpretazione dei dati è model-dependent, ma i vari autori sono d’accordo nell’indicare una distribuzione di particelle (in raggio)
piuttosto stretta e centrata attorno a 1 micron, diversa quindi da quella di gruppi di particelle la cui evoluzione dinamica è di tipo collisionale.
Da M. Showalter et al. (1991)
Perturbazioni non gravitazionali
Piccole dimensioni → maggior rapporto Superficie / Massa ; bisogna considerare l’evoluzione dinamica sotto le forze e.m e la pressione di radiazione. e anche
studiare gli effetti di erosione su queste piccole particelle per stimare i tempi di vita degli anelli e conseguentemente i meccanismi di rigenerazione.
Effetto Poynting - Robertson
Plasma drag
Effetti dovuti al disallinamento di B
Sputtering
Erosione elettrostatica
Effetto Poynting - Robertson
Pressione di radiazione : rQc
r
R
LrQ
c
AF prpr ˆ
4ˆ
2
2
Parametro perturbativo:
r
Q
GMc
L
F
F pr
G
pr
16
3
Da F. Mignard (1984)
Effetto Poynting - Robertson
Espressione completa (fino all’ordine V/c) nel riferimento del Sole:
ˆˆ
21ˆ1
c
rr
c
rQ
c
A
c
Vr
c
rQ
c
AF prpr
PR drag
Da F. Mignard (1984)
Effetto Poynting - Robertson
Introduciamo un tempo caratteristico per l’evoluzione di una particella sotto l’influenza del PR drag:
prpr AQ
mct
3
2
In un sistema di riferimento planetocentrico, trascurando la variazione della distanza particella - Sole e
considerando l’orbita del pianeta circolare, si ottiene per le perturbazioni secolari:
0
6
cos5 2
dt
de
i
t
a
dt
da
pr
Numericamente si trova che i tempi di collasso dell’orbita per PR drag sono di 5X104 / y per Saturno e di 104 / y per Giove.
Plasma Drag
Il plasma magnetosferico è “intrappolato” attorno alle linee di forza e coruota con il pianeta: esiste una Δv tra il plasma e i grani e si verificano pertanto delle collisioni sia dirette che Coulombiane (anche i grani si caricano per la presenza
di carica libera). Δv dipende dal raggio dell’orbita dei grani.
32P
Psyn
MGR
R < Rsyn → collasso
R > Rsyn → espansione
Nel caso di Giove Rsyn= 2.29 RJ ; per Saturno Rsyn = 1.82 RS
Tempo scala:
relpl
grpd v
rt
3
2 Dipende dalla stima dei
parametri del plasma
Disallineamento del campo magnetico
Il campo magnetico di Giove è inclinato di ~10° rispetto all’asse di rotazione→ esiste una componenente verticale della forza di Lorentz nel piano equatoriale
r
z
r
GmM
c
tBvqzm Jr
2
)(
tBc
rqzz Pr
P )cos()(
0
2
PP
Pcr
R
R
B
B
r
z
2
2
max 0
Meccanismi di erosione
Sputtering (impatti di ioni energetici) :
ii is YFR
NR
M
Mt
2
3
Grandi incertezze
Stress elettrostatico; si ha rottura quando:
24
22
cm dyne10
m1
V10 r
Materiale Tensile strength (dyne cm-2)
Aggregati (fluffy) ~104
Ghiaccio (H2O) 106 - 108
Silicati 107 – 109
Vetro ~7∙109
Metalli ~2∙1010
Meccanismi di generazione
Sin dalle prime osservazioni fu suggerita la presenza di satelliti di piccole dimensioni “nascosti” negli anelli di Giove per spiegare alcune caratteristiche osservative.
Negli anni, sono stati scoperti vari satelliti associati ai “faint rings” di Giove e Saturno e localizzati sui loro bordi esterni (il caso di Enceladus è più complesso)
Anello Satellite associato
Main ringMain ring Metis, AdrasteaMetis, Adrastea
Inner gossamerInner gossamer AmaltheaAmalthea
Outer gossamerOuter gossamer ThebeThebe
E ringE ring EnceladusEnceladus
Visti i brevi tempi di vita (max ~105 y) stimati per i grani di polvere si pensò che queste “mooms” potessero essere i progenitori degli anelli e le fonti per rifornirli
continuamente del materiale perso.
Meccanismi di generazione
Le collisioni dei micrometeoroidi sulla superficie dei satelliti possono generare una quantità di polveri sufficiente a rifornire gli anelli di materiale
Rate di produzione:2
, iieii RFY
dt
dM
Sperimentalmente si trova che: 4900 vvvvF crite
Quindi, poiché v0 = vesc ~ Ri , alla fine si trova che dMi/dt ~ Ri -1/4
Alcune peculiarità
Gossamer rings: profilo rettangolare e bordi più
luminosi della zona centrale
Effetto combinato dell’inclinazione dei satelliti e della non sfericità di Giove
Adattato da J.A. Burns et al. (1999)
Alcune peculiarità
Profilo quasi simmetrico rispetto alla posizione di Enceladus: non si può spiegare con un singolo effetto di drag; (osserviamo che Rsyn~ 110 ∙ 103 km).
La pressione di radiazione può causare una variazione a breve periodo dell’eccentricità che spiegherebbe, almeno in parte, questo profilo.
Da M. Showalter et al. (1991)
Bibliografia
J.A. Burns, M.R. Showalter, G.E. Morfill, “Ethereal Rings” in Planetary Rings, eds. R. Greenberg and A. Brahic (Univ.of Arizona Press, Tucson, AZ, 1984) pp.200-272
E. Grün, G.E. Morfill, “Dust – Magnetosphere interactions” in Planetary Rings, eds. R. Greenberg and A. Brahic (Univ.of Arizona Press, Tucson, AZ, 1984) pp.275-332
F.Mignard, “Effects of radiation forces on dust particles in planetary rings” in Planetary Rings, eds. R. Greenberg and A. Brahic (Univ.of Arizona Press, Tucson, AZ, 1984) pp.200-272
J.A. Burns et al., The formatio of Jupiter’s Faint Rings, Science 284, 1146 (1999)
M.R. Showalter, J.N. Cuzzi, S.M. Larson, Structure and Particle Properties of Saturn’s E Ring, Icarus 94, 451 (1991)