UN ALTRO REGALO DI CASSINI

Una torre esagonale nel cielo di Saturno

Un nuovo studio ha individuato quelli che sembrerebbero essere i primi scorci di un vortice al polo nord di Saturno che si è formato nella parte alta dell'atmosfera, mentre nell'emisfero settentrionale si stava avvicinando l'estate. Questo caldo vortice si trova a centinaia di chilometri al di sopra delle nuvole, in uno strato di atmosfera conosciuto come stratosfera e sembra molto simile al famoso esagono sottostante, come se in realtà fosse un’unica struttura che si sviluppa in altezza.

L’esagono presente al polo nord di Saturno. Credit: NASA/JPL-Caltech/SSI/Hampton University

Quando Cassini arrivò in prossimità di Saturno, nel 2004, l’emisfero australe del pianeta si stava godendo l’estate, mentre l’emisfero nord era nel pieno dell’inverno. Fu allora che la sonda spaziale riuscì a vedere un ampio vortice, caldo e ad alta quota, al polo sud del signore degli anelli. Niente di analogo venne visto al polo nord del pianeta.

Un nuovo studio a lungo termine ha ora individuato quelli che sembrerebbero essere i primi scorci di un vortice polare settentrionale che si è formato nella parte alta dell’atmosfera, mentre nell’emisfero settentrionale di Saturno si stava avvicinando l’estate. Questo caldo vortice si trova a centinaia di chilometri al di sopra delle nuvole, in uno strato di atmosfera conosciuto come stratosfera, e ci sta regalando una sorpresa inaspettata.

«I bordi di questo vortice appena scoperto sembrano essere esagonali, proprio come la famosa e bizzarra nube esagonale che si vede più in profondità, nell’atmosfera di Saturno», afferma Leigh Fletcher dell’Università di Leicester, Regno Unito, autore principale del nuovo studio. «Con l’approssimarsi della stagione calda, ci aspettavamo di vedere un vortice di un qualche tipo al Polo nord di Saturno, tuttavia la sua forma è davvero sorprendente. Potrebbe essere che si siano generati spontaneamente due esagoni identici a due altitudini diverse, una più bassa tra le nuvole e una più alta nella stratosfera, oppure ciò che vediamo è in realtà un’unica struttura torreggiante che si estende verticalmente per diverse centinaia di chilometri».

I vari livelli delle nubi di Saturno ospitano la maggior parte delle condizioni meteorologiche del pianeta, incluso l’esagono del polo nord preesistente. Questa caratteristica esagonale è stata scoperta dalla sonda spaziale Voyager della Nasa negli anni ’80 ed è stata studiata per decenni; non è altro che un’onda persistente potenzialmente legata alla rotazione di Saturno, un tipo di fenomeno visto anche sulla Terra in strutture come il Polar Jet Stream. Le sue proprietà furono rivelate in dettaglio da Cassini, che la osservò a più lunghezze d’onda, dall’ultravioletto all’infrarosso, usando strumenti come il suo spettrometro a infrarossi (Cirs). Tuttavia, all’inizio della missione questo strumento non è stato in grado di guardare negli strati più alti della stratosfera settentrionale, caratterizzati da temperature intorno ai -158 gradi Celsius, circa 20 gradi troppo freddi per poter compiere osservazioni infrarosse affidabili con Cirs, e per questo motivo questi strati sono rimasti relativamente inesplorati per molti anni.

«Un anno su Saturno dura circa 30 anni terrestri, quindi gli inverni sono lunghi», aggiunge la co-autrice Sandrine Guerlet del Laboratoire de Météorologie Dynamique, in Francia. «Saturno ha iniziato a emergere dalle profondità dell’inverno settentrionale nel 2009 e si è riscaldato gradualmente man mano che l’emisfero settentrionale si è avvicinato all’estate».

Questo riscaldamento è stato accelerato da uno strano processo in atto nell’atmosfera di Saturno: quando l’aria è affondata al polo nord, l’esagono superiore si è riscaldato sempre più rapidamente, e il trasporto dell’aria verso il basso ha reso più concentrata l’abbondanza di diverse specie minori. Finalmente, l’aumento della temperatura ha permesso a Fletcher e ai suoi colleghi di studiare il vortice polare nella luce infrarossa. «Dal 2014 in avanti, siamo stati in grado di utilizzare lo strumento Cirs per esplorare la stratosfera settentrionale per la prima volta» aggiunge Guerlet. «Non appena il vortice polare è diventato sempre più visibile, abbiamo notato che aveva bordi esagonali e ci siamo resi conto che stavamo vedendo l’esagono preesistente ad altitudini molto più alte di quanto si pensasse in precedenza».

Questi otto fotogrammi mostrano il polo nord di Saturno come è apparso tra gli anni 2013 e 2017, visto dal Composite Infrared Spectrometer (Cirs) sulla missione internazionale Cassini. Da sinistra a destra, i pannelli si riferiscono al 17 agosto 2013, 18 ottobre 2014, 9 giugno 2016, 20 settembre 2016 (riga superiore) e all’8 novembre 2016, 12 febbraio 2017, 17 aprile 2017, 26 agosto 2017 (riga inferiore). Essi mappano come cambiano le temperature nella stratosfera di Saturno, uno strato di atmosfera a poche centinaia di chilometri sopra la sommità delle nuvole del pianeta, e le mostrano in colori che vanno dal blu più freddo ai rossi più caldi. Le tonalità di blu corrispondono a temperature di -138 gradi Celsius e le tonalità rosse a -123 gradi Celsius. I blu più scuri mostrano aree di dati e difetti mancanti; in particolare, un caldo ciclone polare è stato parzialmente oscurato nel pannello ottenuto ad agosto 2017. I dati sono stati raccolti dallo strumento Cirs durante la seconda estensione della missione, iniziata a settembre 2010 e terminata a maggio 2017. Per visualizzare correttamente il polo nord del pianeta, Cassini lo ha osservato da un’elevata inclinazione orbitale. La forma esagonale e il limite del vortice stratosferico possono essere visti in tutti i pannelli, diventando sempre più chiari e caldi col passare del tempo. Crediti: NASA/JPL-Caltech/University of Leicester/GSFC/L.N. Fletcher et al. 2018.

Ciò indica che i due poli di Saturno si comportano in modo molto diverso: quando il polo sud, durante l’estate meridionale, venne osservato da Cassini all’inizio della missione, non c’era alcun esagono, né sulla sommità delle nuvole né al di sopra delle stesse. Il vortice settentrionale non è neanche lontanamente maturo come il vortice meridionale, poiché è più freddo e mostra dinamiche diverse dalla sua controparte meridionale. «Questo potrebbe significare che c’è un’asimmetria fondamentale tra i poli di Saturno che dobbiamo ancora capire, oppure potrebbe significare che il vortice al polo nord si stava ancora sviluppando nelle nostre ultime osservazioni e sta continuando a farlo dopo il termine della missione Cassini», aggiunge Fletcher. La missione Cassini si è conclusa a settembre 2017.

La presenza di un esagono nella stratosfera settentrionale di Saturno, centinaia di chilometri al di sopra delle nuvole, suggerisce che c’è ancora molto da imparare sulle dinamiche in gioco nell’atmosfera del gigante gassoso. Una singola struttura esagonale che si estende attraverso l’atmosfera sarebbe improbabile, dato che le condizioni del vento cambiano notevolmente con l’altitudine. Tuttavia, studiando le proprietà atmosferiche nella regione settentrionale, Fletcher e colleghi hanno anche stabilito che le onde come l’esagono non dovrebbero propagarsi verso l’alto, bensì dovrebbero rimanere intrappolate nelle nuvole, come si pensava in precedenza.

«Un modo in cui l’informazione ‘onda’ può estendersi verso l’alto è attraverso un processo chiamato evanescenza, dove la forza di un’onda si decompone con l’altezza ma rimane abbastanza forte da continuare a persistere nella stratosfera», spiega Fletcher. «Abbiamo semplicemente bisogno di saperne di più ed è piuttosto frustrante scoprire che questo esagono stratosferico è stato scoperto proprio alla fine della vita di Cassini».

Il famoso esagono di Saturno, in scale di grigio. Credit: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute.

Comprendere come e perché il vortice al polo nord di Saturno abbia assunto una forma esagonale farà luce su come i fenomeni più in profondità nella sua atmosfera possono influenzare l’ambiente in quota, oggetto di studio di particolare interesse per gli scienziati che cercano di capire come l’energia viene trasportata nelle atmosfere planetarie. La regione al polo nord di Saturno dovrebbe continuare a svilupparsi nei prossimi anni; l’emisfero nord ha superato il solstizio d’estate nel maggio 2017, ed è sulla buona strada per il suo equinozio d’autunno nel 2024.

«L’esagono nord di Saturno è una caratteristica iconica di uno dei membri più carismatici del Sistema solare, quindi scoprire che ancora conserva importanti misteri è molto eccitante», dice Nicolas Altobelli, Esa Project Scientist per la missione Cassini-Huygens.

«La sonda Cassini ci ha regalato nuove scoperte fino alla fine: senza un veicolo spaziale capace come Cassini, questi misteri sarebbero rimasti inesplorati. Ci ha mostrato ciò che può essere realizzato da un team internazionale che invia un sofisticato esploratore robotico verso una destinazione precedentemente inesplorata, con risultati che continuano ad arrivare copiosi anche quando la missione stessa è terminata».

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