Ambiente spaziale

Ambiente spaziale

Space tethers

Campi magnetici

I campi magnetici spaziali sono generati da correnti elettriche interne e, in parte minore, dalla magnetizzazione delle rocce sulla crosta. La loro esistenza è spiegata dalla dynamo theory che si basa sulla presenza di convezione interna e rotazione veloce. I campi magnetici danno molte informazioni sulla natura interna dei pianeti e nel caso della Terra sulla misurazione della crosta nel corso delle ere geologiche. Inoltre, l’interazione tra un campo magnetico planetario e il vento solare determina le particolari proprietà della magnetosfera.

Generalmente si hanno 3 sorgenti:

• Correnti nei core fluidi e conduttivi dei pianeti con rotazione veloce
• Correnti di plasma nella magnetosfera
• Magnetizzazione permanente delle rocce nella crosta superficiale

Infine, diciamo che il campo ai poli è due volte maggiore dell'equatore.

Armoniche sferiche

In analisi matematica, le armoniche sferiche sono un insieme ortogonale di soluzioni dell’equazione di Laplace, introdotte per la prima volta nel 1782. Sono importanti per esempi nel calcolo degli orbitali atomici, nella rappresentazione del campo gravitazionale dei pianeti e dei campi magnetici delle pulsar, e nella caratterizzazione della radiazione di fondo. Il problema è quello, dunque, di trovare un potenziale magnetico o gravitazionale armonico.

Le armoniche sferiche sono di 3 tipi:

• Zonale, con l m=0
• Tesserale, con l m≠0, m≠1
• Settoriale, con l=0

A grandi distanze il campo magnetico terrestre diminuisce come 1/r. Allontanandosi diminuisce molto e può unirsi ad altri campi di altri pianeti o del Sole. Tempeste geomagnetiche provenienti dal Sole possono creare depressioni nel campo terrestre anche del 2%. Si sono verificate molte inversioni di polarità nel passato.

Una peculiarità del campo terrestre è l’anomalia sub-Atlantica, una drastica diminuzione di intensità a est del Sud America. Questa anomalia permette il passaggio di raggi cosmici che possono interferire con l’elettronica dei satelliti.

Atmosfera e ionosfera

Lo strato gassoso che avvolge il pianeta legato gravitazionalmente, lo studio della Terra e delle atmosfere dei pianeti è uno dei campi più attivi nella ricerca ed è sottoposto a continue osservazioni. L’atmosfera causa resistenza, la conoscenza della sua struttura verticale è importantissima per il design dei moduli di rientro. Le atmosfere planetarie possono essere sfruttate per manovre orbitali con un’importante riduzione del propellente; inoltre, le caratteristiche e la composizione dell’atmosfera determinano l’albedo del pianeta.

• Manovra di aero breaking: L'aero frenaggio è la tecnica attraverso la quale una sonda spaziale sfrutta l'attrito dell'atmosfera di un pianeta per ridurre la propria velocità.

Esistono 2 tipi di regime dell’atmosfera:

• Regime fluido: La scala spaziale è molto maggiore del cammino libero medio, regime collisionale
• Regime molecolare libero: Le particelle si muovono subendo pochissimi urti

L’atmosfera è assunta in equilibrio termico, intrappolata dalle particelle interplanetarie attraverso l’evaporazione, la sublimazione e la fuoriuscita dai pianeti solidi. Sono frequenti anche le perdite; infatti, le particelle nell’alta atmosfera possono raggiungere una velocità maggiore della velocità di uscita dal pianeta. L’equazione di Navier-Stokes mette in relazione il gradiente della pressione verticale e la gravità.

L’atmosfera raggiunge un’altitudine di circa 120 km, sopra questo livello:

• Si passa ad un flusso di molecole libere e ad un equilibrio diffusivo, la densità inoltre diminuisce notevolmente
• La massa molecolare diminuisce e i diversi gas non sono più mescolati turbolentemente
• Il rientro non controllato di oggetti e le loro predizioni fanno affidamento alle conoscenze della densità della bassa termosfera.

L’interazione tra l’atmosfera con i satelliti può causare molti fenomeni, come l’airglow. Questo fenomeno si traduce come una debole emissione luminosa dell’atmosfera, si tratta di un’emissione vicino le superfici esterne delle strutture spaziali, dovuta a delle interazioni fisiche sconosciute con l’atmosfera neutra.

Negli strati alti le specie più leggere hanno una velocità termica maggiore di quella di fuga e dunque tendono ad evaporare; questo fenomeno prende il nome di “meccanismo di Jeans”. La fuga atmosferica è quel processo tramite il quale l'atmosfera di un corpo planetario perde gas nello spazio esterno. I fattori principali che influiscono sono la temperatura dell'atmosfera e la velocità di fuga del corpo.

Abbiamo la quota a sinistra, poi le relative curve di temperatura, massa molecolare media, pressione e densità. A destra abbiamo un ingrandimento della curva della temperatura.

Nella troposfera (dove avvengono i fenomeni meteorologici) abbiamo un abbassamento di temperatura che favorisce la convezione verso l’alto e umidità elevata, nella stratosfera invece, la temperatura aumenta a causa dell’interazione tra la radiazione solare e l’ozono, quindi si riscalda tutta la stratosfera, dunque abbiamo un blocco della convezione; questo è il motivo per cui il cumulonembo si blocca e non va oltre la tropopausa. Nella mesosfera l’assorbimento non compete con la perdita di calore, quindi si ha un gradiente termico negativo. Infine, nella termosfera ritorna predominante l’assorbimento.

Come si può vedere dall’immagine, oltre i 120 km circa, l’andamento di densità e pressione cessa di essere esponenziale, questo perché passiamo dal regime fluido al regime molecolare libero; qui ogni specie chimica si comporta indipendentemente dalle altre, questo meccanismo si chiama segregazione diffusiva delle specie. Quindi le specie più pesanti si trovano a quote più basse, le specie più leggere sono a quote più alte, quindi si tratta di una separazione/segregazione diffusiva, ovvero in modo diffuso.

Tre fenomeni dell’atmosfera sui satelliti sono:

• Erosione chimica: Nelle orbite LEO, dove la specie prevalente è l’ossigeno atomico, l’ossigeno atomico molto attivo chimicamente, dunque i materiali vengono corrosi dall’ossigeno atomico
• Ablazione fisica: Lo scontro tra le particelle e i satelliti, quindi l’impatto provoca un’ablazione del materiale
• Airglow: Fotoluminescenza della superficie esposta al flusso delle particelle incidente, si ha quando una superficie interagisce con le particelle neutre. Questa luminescenza disturba gli strumenti di osservazione. A quote elevate diminuisce.

Equilibrio radiativo

L’atmosfera è scaldata dalla radiazione solare, l’equilibrio della temperatura è ottenuto attraverso il bilancio dell’energia entrante dal sole e dalla fuoriuscita dei raggi infrarossi. Parte della radiazione che entra è riflessa dalle nuvole e dalla neve, la frazione della radiazione riflessa nello spazio è chiamata albedo del pianeta. Per la Terra è pari a 0.3, quindi solo il 70% viene assorbita.

La radiazione di corpo nero è la radiazione emessa da tutti i corpi in cui materia e radiazione sono in equilibrio. Definiamo una delle cause maggiori del cambiamento climatico come la costante solare 1370. L’energia persa dalle regioni polari è dovuta alle nuvole e all’alta albedo; l’energia guadagnata è dovuta dalla cintura equatoriale. Il bilancio viene compensato dai movimenti atmosferici e dalle correnti oceaniche. Vi è una sostanziale differenza di albedo tra i poli e l’equatore.

Se volessimo calcolare la temperatura della Terra otterremo un valore pari a T=255K, piuttosto bassa; infatti, stiamo trascurando l’effetto serra, realmente abbiamo una T=288K.

Effetto serra

L’effetto serra è la causa principale dell’aumento della temperatura. L’atmosfera è trasparente nel visibile e opaca nell’infrarosso; questo porta ad un aumento della temperatura. Una più dettagliata analisi dell’effetto serra è possibile introducendo la lunghezza d’onda opacità (k) dell’atmosfera. Il flusso radiativo invece è descritto dall’intensità specifica (potenza per unità di area e unità di angolo solido), l’assorbimento dunque, attraverso uno spessore ds cambia come:

La radiazione solare riemessa dal terreno nell’infrarosso, potrebbe essere assorbito in parte dall’atmosfera, in particolare dal vapore acqueo e dall’anidride carbonica, il flusso di radiazione riemessa dalla terra è pari a:

Questo è il grafico del bilancio radiativo nell’atmosfera terrestre, il Sole manda in media 342 W/m². A terra però ne arrivano 198, di questi 30 vengono riflessi per l’effetto albedo, quindi quella effettivamente assorbita è 168W. La Terra invece, ad un T=288K emette 40 W, poiché il grosso viene assorbita dall’atmosfera. L’atmosfera infine possiamo dire che perde una quantità di energia.