FISICA DEI PIANETI                   

Orario: I semestre, presso il Dipartimento di  Astronomia

Propedeuticita': Corsi del I e II anno, Struttura della Materia.

Finalita': Il corso di Fisica dei pianeti intende fornire le conoscenze di base necessarie per affrontare con rigore metodologico lo studio dei pianeti. E' indirizzato ai fondamenti fisici delle scienze planetarie, e, come tale, si propone di cogliere le profonde connessioni esistenti tra le proprieta' microfisiche della materia ordinaria aggregata e quelle su grande scala delle strutture planetarie.

MODULO A.

2. Introduzione alla fisica del Sistema Solare. Costituzione del Sistema Solare. Caratteristiche d'insieme. Predominanza dei campi gravitazionale, fotonico e di plasma del Sole. Distribuzione della materia in una configurazione spaziale a disco appiattito. Moto d'insieme del Sistema Solare. Elementi di fisica solare: spettro solare, atmosfera ed interno del Sole, campo magnetico, vento solare. Caratteristiche specifiche dei pianeti. Analisi comparativa dei dati d'osservazione per pianeti terrestri, pianeti giganti, satelliti, asteroidi e comete. Energia solare assorbita ed energia interna emessa. Temperature effettive e temperature di superficie.

3. Elementi di fisica delle atmosfere planetarie. Condizioni fisiche per l'esistenza di un'atmosfera. Composizione delle atmosfere planetarie. Bilancio radiativo negli ambienti circumplanetari ed effetto serra. Generalita' sui climi planetari. Fluttuazioni ed evoluzioni climatiche, controreazioni positive e negative, in particolare per l'ambiente terrestre e l'ambiente marziano. Struttura media verticale delle atmosfere planetarie. Profili di temperatura, pressione e densita'. Troposfera, stratosfera, alta atmosfera. Altezze di scala delle atmosfere planetarie e peculiarita' dell'atmosfera terrestre. Circolazione generale e termodinamica dell'atmosfera. Bilancio geostrofico. Trasporto di calore nell'atmosfera e nell'idrosfera terrestre; scambi d'energia tra atmosfera e oceani. Fondamenti della circolazione oceanica. Analisi comparata delle caratteristiche delle atmosfere dei pianeti terrestri e dei pianeti giganti.

4. Struttura dinamica del Sistema Solare. A) Dinamica orbitale. Elementi di dinamica gravitazionale a molti corpi. Equazioni dei moti relativi. L'approssimazione delle orbite imperturbate o moto kepleriano. Dinamica orbitale a due corpi. Definizione fisico-geometrica degli elementi orbitali per il moto kepleriano. Elementi orbitali osculanti ed orbite reali. Moti orbitali al presente nel Sistema Solare. Interpretazione della distribuzione dei semiassi maggiori planetari. Sfere d'influenza planetarie. Problema a tre corpi ristretto e planare. Potenziale di Roche e punti lagrangiani. B) Dinamica rotazionale. Condizione di stabilita' per rotazione. Caratteristiche rotazionali planetarie al presente. Velocita' di rotazione ed obliquita' degli assi di rotazione. Origine delle rotazioni planetarie. Origine delle obliquita'. Momenti d'inerzia planetari. Ellitticita' dinamica ed ellitticita' di forma. Momenti angolari planetari. Momento angolare totale del Sistema Solare e piano invariante di Laplace.

5. Composizione, struttura meccanica e stato termico dei pianeti. Composizione elementale, isotopica, chimica e mineralogica dei materiali planetari. Composizione elementale del materiale originario. Confronto tra abbondanze cosmiche e composizione elementale media dei pianeti terrestri, pianeti giganti, satelliti, asteroidi, comete e meteoriti. Interpretazione del gradiente composizionale con la distanza eliocentrica: sequenza di condensazione dei minerali nella nebulosa protoplanetaria. Diagramma delle fasi di materiali planetari semplici: idrogeno, ghiacci del gruppo CHON, silicati e leghe Fe-Ni rappresentative negli interni planetari. Il problema della struttura meccanica. Equilibrio idrostatico. Stima delle pressioni e delle temperature interne per pianeti terrestri e per pianeti giganti. Gradiente di temperatura quasi adiabatico. Sorgenti interne di energia e stato termico planetario. Calore originario dalla formazione del pianeta e calore radiogenico. Trasporto conduttivo e trasporto convettivo del calore.

MODULO B

7. Fisica dell'interno e struttura interna dei pianeti terrestri e dei satelliti giganti. Modelli termici, composizionali e modello sismologico. Modello sismologico per la Terra; propagazione delle onde sismiche nell'interno della Terra, profili delle velocita' delle onde P ed S. Equazione di Adams-Williamson e sua integrazione. Il modello di riferimento per la Terra (PREM). Profili di densita', pressione e gravit^ interne nel modello PREM. Modelli di struttura e composizione per Mercurio, Venere, Marte, la Luna ed i satelliti dei pianeti giganti. Geomeccanica planetaria comparata: proprieta' fisico-reologiche delle croste dei pianeti terrestri e dei satelliti ghiacciati; isostasia; fattori di scala in litosfera; stima dell'altezza massima dei rilievi sulle superfici dei pianeti terrestri e dei satelliti. Tettonica planetaria comparata. Fratturazione e ringiovinimento delle superfici planetarie solide. Craterizzazione da impatto. Tecniche di datazione relativa di superfici planetarie in base alla densita' dei crateri da impatto. Tecniche di datazione assoluta in base ad abbondanze di radioisotopi.

8. Campi magnetici planetari e mezzo interplanetario. Dati osservativi. Struttura dei campi magnetici solare e planetari. Origine dei campi magnetici. Moti convettivi interni. Meccanismo dinamo. Elementi di magnetoidrodinamica. Sorgente di energia per il mantenimento del campo. Variazioni secolari ed inversione di campo. Mezzo interplanetario. Proprieta' fisiche del vento solare. Interazione del vento solare con i campi magnetici planetari. Formazione e struttura delle magnetosfere planetarie. Fenomeni di variabilita'. Differenza tra magnetosfera terrestre e magnetosfera di Giove. Interazione del vento solare e dei raggi cosmici con superfici esposte di satelliti ed oggetti minori.

9. Evoluzione dinamica del Sistema Solare. Perturbazioni planetarie. Equazioni di Lagrange per le variazioni degli elementi orbitali e teoria lineare delle perturbazioni secolari. Le variazioni orbitali secolari come sistemi di oscillazioni armoniche accoppiate. Frequenze naturali fondamentali per le evoluzioni orbitali del sistema di pianeti. Analisi comparata dell'evoluzione delle orbite dei pianeti terrestri e dei pianeti giganti. Evoluzione delle obliquita' dei pianeti, in particolare della Terra e di Marte. Ruolo della Luna nello stabilizzare l'obliquita' e, conseguentemente, il clima della Terra. Evoluzione mareale delle orbite dei satelliti e conseguenze dinamiche per il sistema pianeta-satelliti. Implicazioni della recessione secolare della Luna dalla Terra. Distanza limite di Roche e dinamica di secondari entro la sfera d'influenza del primario. Risonanze nel Sistema Solare. Risonanze di spin-orbita. Risonanze orbitali e loro interpretazione. La risonanza di Laplace a tre corpi, Io-Europa-Ganimede, e conseguenze della dissipazione dell'energia mareale. Risonanze nei sistemi di anelli. Risonanze nella fascia degli asteroidi; lacune di Kirkwood; asteroidi troiani. Dinamica di oggetti minori e comportamento caotico. Asteroidi planet- crossing e meteoroidi. Interrelazioni tra classi di oggetti minori.

10. Origine del Sistema Solare e condizioni fisiche per la vita. A) Origine del Sistema Solare e formazione dei pianeti. Stima dell'eta' del Sistema Solare. Lo scenario standard per la formazione del Sistema Solare: contrazione gravitazionale di una nube molecolare e formazione da essa, o parte di essa, del protosole e della nebulosa solare residua di gas e polvere; evoluzione dinamica ed evoluzione termofisica della nebulosa solare, e sedimentazione della polvere sul piano mediano della nebulosa; formazione per aggregazione di grani di polvere, attraverso forze di coesione e processi di instabilita' gravitazionale, di corpi solidi, i planetesimi; evoluzione delle popolazioni di planetesimi per effetto di collisioni binarie e sotto l'azione di perturbazioni gravitazionali mutue, con conseguente accumulazione di planetesimi e/o loro frammenti in corpi solidi sempre piu' massicci, fino ai pianeti terrestri, ai nuclei dei pianeti giganti ed ai corpi minori del Sistema Solare; cattura di gas della nebulosa da parte dei nuclei dei pianeti giganti con conseguente loro crescita alle dimensioni attuali. Tempi di formazione di Giove, Saturno, Urano e Nettuno, dei pianeti terrestri e degli oggetti subplanetari nella fascia asteroidale. B) Condizioni fisiche che rendono un ambiente planetario adatto alla vita. Range di variabilita' dei parametri fisici in un ambiente planetario adatto all'insorgere e allo sviluppo della vita. Condizioni per la quasistabilita' dinamica, orbitale e rotazionale, di un pianeta, e per la quasistabilita' termofisica dell'ambiente planetario. Condizioni per l'instaurarsi di cicli di variazione dei parametri d'ambiente, a scale temporali diversificate, congeniali allo sviluppo ed evoluzione di specie ed organismi complessi. Condizioni per l'esistenza e la quasistabilita' temporale di gusci spaziali protettivi dell'ambiente planetario dalla radiazione cosmica galattica, dal vento stellare, dal bombardamento di micrometeoroidi, dall'ablazione dell'atmosfera del pianeta a causa di impatti energetici, dal bombardamento di cometesimi e di comete, e da perturbazioni planetarie destabilizzanti l'obliquita' ed il clima del pianeta.
 
 

Testi consigliati:

1) B.Bertotti, P.Farinella: Physics of the Earth and the Solar System, Kluwer 1990.

2) J.S.Lewis: Physics and Chemistry of the Solar System, Academic Press 1995.

3) Dispense del titolare.