Il pianeta Giove

Giove è il quinto pianeta del sistema solare in ordine di distanza dal Sole, nonché il pianeta più massiccio del sistema: ha infatti una massa 2,468 superiore a quella di tutti gli altri pianeti messi insieme. Si tratta di un gigante gassoso (o pianeta gioviano), categoria di cui fanno parte anche Saturno, Urano e Nettuno; è il primo dei giganti gassosi in ordine di distanza dal Sole ed il secondo dei pianeti esterni, dopo Marte. Visto dalla Terra, il pianeta è in grado di raggiungere una magnitudine apparente massima di -2,8, che lo rende il terzo oggetto più brillante nel cielo notturno, dopo la Luna e Venere
Giove ha una composizione simile a quella del Sole: infatti è costituito principalmente da idrogeno, con una discreta percentuale di elio ed altri composti, quali ammoniaca e metano, presenti in tracce. A causa della sua rapida rotazione, Giove presenta l'aspetto di uno sferoide oblato, ovvero possiede un rigonfiamento all'equatore e uno schiacciamento ai poli. Si ritiene che il pianeta possieda un nucleo solido costituito da carbonio e silicati, circondato da una vasta copertura atmosferica che genera su di esso delle altissime pressioni. L'atmosfera esterna è caratterizzata da numerose bande e strisce di tonalità variabili dal color crema al marrone costellate da circoli ciclonici, tra i quali si annovera la grande macchia rossa, una formazione scoperta circa 300 anni fa e tutt'ora in frenetica attività. La zona di transizione fra l'atmosfera e la superficie è formalmente identificata come la regione in cui i gas atmosferici, a causa dell'enorme pressione, cominciano a passare allo stato liquido.
A causa delle sue dimensioni, Giove è stato considerato per lungo tempo una "stella fallita": in realtà, solamente se il pianeta avesse avuto l'opportunità di accrescere la propria massa sino a 75-80 volte quella attuale, il suo nucleo avrebbe ospitato le condizioni necessarie di temperatura e pressione per innescare le reazioni di fusione nucleare dell'idrogeno in elio, il che avrebbe reso il sistema solare un sistema stellare binario.
Giove appare ad occhio nudo come una stella bianca moltro brillante a causa del suo elevato albedo; tuttavia il fatto che la sua luce non sia tremolante indica che non ci si trova davanti ad una stella, che "brilla di luce propria", ma ad un pianeta, che "brilla di luce riflessa". È il quarto oggetto più brillante nel cielo, dopo il Sole, la Luna e Venere; con quest'ultimo condivide talvolta il ruolo di "stella del mattino" o "stella della sera", qualora Venere si trovi in una fase di inosservabilità a causa del suo moto orbitale. La sua magnitudine apparente varia, a seconda della posizione durante il suo moto di rivoluzione, da -1,6 a -2,8, mentre il suo diametro apparente varia da 29,8 a 50,1 secondi d'arco; tuttavia, in alcuni punti della sua orbita, Marte riesce a superare Giove in luminosità, ma si tratta di un evento molto raro. Il periodo migliore per osservare l'astro è durante le opposizioni, che si verificano ogni qual volta Giove transita al perielio, evento che si verifica una volta ad ogni rivoluzione. La prossima opposizione del pianeta si verificherà intorno al settembre 2010.
L'atmosfera di Giove, nel suo insieme, è composta dall’88-92% di idrogeno e dall'8-12% di elio. Il suo interno, invece, è composto dal 76% d’idrogeno e dal 23% di elio, mentre il restante uno per cento consiste in altri elementi. L'atmosfera contiene anche tracce di metano, vapore acqueo, ammoniaca, carbonio, etano, idrogeno solforato, neon, ossigeno, fosforo e zolfo. All'esterno dell'atmosfera sono presenti strati di cristalli di ammoniaca congelati.
Sulla base della spettroscopia, si è pensato che Saturno possa essere molto simile per composizione a Giove, ma, anche se è così Giove presenta una quantità di elementi pesanti minori superiore a quella di Saturno. Tuttavia, possiamo affermare che la composizione di Giove è sempre molto più leggera rispetto a Urano e Nettuno.
Il periodo sinodico del pianeta è di 398,88 giorni, al termine del quale sembra spostarsi in maniera retrograda (ovvero sembra spostarsi all'indietro nel cielo notturno) rispetto allo sfondo stelle "fisse", eseguendo una sorta di traiettoria ad "S". Giove, nei 12 anni circa della propria rivoluzione, percorre tutte le costellazioni dello zodiaco.
Poiché l'orbita di Giove è esterna all'orbita terrestre, l'angolo di fase gioviano visto dalla Terra non è mai superiore a 11,5° ed è quasi sempre vicino vicino allo zero, ovvero il pianeta appare quasi sempre completamente illuminato; fu solo durante le missioni spaziali verso il pianeta che fu fotografata una sua fase crescente.
Il pianeta è interessante da un punto di vista osservativo in quanto già con piccoli strumenti è possibile rivelarne alcuni caratteristici dettagli. Un piccolo cannocchiale o telescopio rifrattore consente già di osservare attorno al pianeta quattro piccoli punti luminosi, disposti lungo il prolungamento dell'equatore del pianeta: si tratta dei satelliti medicei. Poiché essi orbitano abbastanza velocemente intorno al pianeta, è possibile osservarne i movimenti già tra una notte e l'altra: il più interno, Io, arriva a compiere tra una notte e l'altra quasi un'orbita completa. È osservando questo moto che Ole Rømer arrivò a scoprire che la luce possiede una velocità finita.
Giove è 2,468 volte più massiccio di tutti i pianeti del sistema solare messi insieme. È talmente massiccio che il centro di gravità Sole-Giove cade esternamente al Sole, essendo posto a 743 000 km di distanza dalla nostra stella. In raffronto alla Terra, Giove è 317,938 volte più pesante, ha un volume 1 319 volte superiore a quello terrestre e una densità estremamente bassa: 1,319 kg/dm³. Il diametro è 11,2008 volte maggiore di quello terrestre.
Modelli teorici indicano, controintuitivamente, che se Giove fosse più massiccio avrebbe un diametro inferiore. Infatti aumentando la massa, il nucleo si comprimerebbe rilasciando calore. Il calore farebbe sciogliere parte dell'idrogeno metallico. Questo elemento allo stato liquido reagirebbe con l'atmosfera aumentando i gas volatili e la pressione al suolo, con conseguente compressione del pianeta, diminuzione del diametro, del volume e con aumento della densità. Questa dinamica varrebbe fino a circa 10 masse gioviane, oltre questo limite aumenti di massa determinerebbero aumenti effettivi di volume. Al raggiungimento del valore di circa 75 masse gioviane si raggiungerebbe il valore critico per l'innesco di reazioni termonucleari che porterebbe alla formazione di una nana bruna o, addirittura, di una nana rossa.
Anche se Giove dovrebbe essere circa 75 volte più massiccio per diventare una stella, la più piccola stella mai scoperta è solo il 40 per cento più grande del diametro di Giove.
Probabilmente, questo fenomeno è generato dal meccanismo di Kelvin-Helmholtz, che comporta il raffreddamento della superficie di Giove ed un conseguente calo di pressione e di dimensioni. A sua volta questa compressione genera un riscaldamento del nucleo stellare o planetario. Attualmente Giove, con questo meccanismo, si comprime di circa 2 cm all'anno.
Secondo i modelli astrofisici più moderni e ormai accettati da tutta la comunità scientifica, Giove non possiede una crosta solida; il gas atmosferico diventa sempre più denso procedendo verso l'interno e gradualmente si converte in liquido, al quale si aggiunge una piccola percentuale di elio, ammoniaca, metano, zolfo, idrogeno solforato ed altri
A circa 25000 km di profondità, ad una pressione maggiore di 3 milioni di atmosfere, l'idrogeno liquido molecolare si converte in idrogeno liquido metallico cioè in una mistura di protoni ed elettroni, estremamente compressi.
Gli elettroni, strappati ai protoni, circolano liberamente creando correnti elettriche. Scendendo ancora più in profondità, a 37000 km, si incontrerebbe un nucleo roccioso del diametro di 12000 km probabilmente composto di silicati di ferro. Qui la temperatura raggiunge i 30000° C (gradi Celsius), mentre nella zona di transizione si aggira attorno a 11000° C. Nell'idrogeno "metallico" che costituisce il suo nucleo la rapida rotazione del pianeta produce un campo magnetico che è circa 10 volte più intenso di quello terrestre.
Il nucleo del pianeta è piccolo e roccioso, con presenza di carbonio. La presenza del nucleo è stata confermata da diverse osservazioni, tuttavia, potrebbe essere una stabilizzazione del carbonio e dei pochi materiali rocciosi presenti alla formazione di Giove.
La temperatura e la pressione all'interno di Giove aumentano costantemente verso il nucleo. Nella fase di transizione tra l'idrogeno liquido e quello metallico liquido, si ritiene che la temperatura sia di 10.000 K e la pressione è di 200 GPa. La temperatura al centro confine è stimato a 36.000 K e la pressione interna è di circa 4500 GPa. L'accelerazione di gravità presente su Giove, a livello della superficie, è molto alta, la più intensa nel sistema solare, ad esclusione, naturalmente, del Sole. Si è calcolato che sia pari a 2,64 volte quella presente sulla Terra.
L'atmosfera gioviana appare tipicamente rossastra e poco uniforme, in quanto presenta bande, cicloni (le macchie), jet stream e via dicendo. Poco sotto l'equatore, spostata a sinistra, è visibile la più grande tempesta ciclonica mai scoperta: la Grande Macchia Rossa.


Nubi e strati

Giove è perennemente coperto di nubi, composte da ammoniaca, metano e idrogeno solforato. Le nuvole si trovano nella tropopausa e sono organizzate in bande di diverse latitudini, note come regioni tropicali. La velocità del vento nelle correnti a getto (jet stream) che si aprono nell'atmosfera è di 100-120 m/s (360-400 km/h)
Le zone nuvolose, spesse circa 50 km, sono ricoperte anche da un sottile velo d'acqua, come dimostrano i fulmini captati dalla Sonda Galileo (l'acqua è una molecola polare che può portare ad un addebito di energia e pertanto è in grado di creare la carica di separazione necessaria per produrre un fulmine). Questi fulmini possono essere fino a mille volte più potenti di un fulmine terrestre. Le bande sono state osservate variare in larghezza, in colore e in intensità di anno in anno, ma esse sono rimaste sufficientemente stabili affinché gli astronomi potessero dare loro delle denominazioni o identificazioni.
Ogni tanto accade un fenomeno inusuale nelle nubi: delle colorazioni marrone-arancio, forse causate da composti chimici complessi che emettono luce in questo colore quando sono esposti alla radiazione ultravioletta del Sole. L'esatta composizione di queste sostanze rimane incerta, ma si ritiene che siano largamente composte da fosforo, zolfo o, eventualmente, idrocarburi complessi. Giove, avendo una bassa inclinazione assiale espone i propri poli a una radiazione solare inferiore rispetto a quella delle zone equatoriali. Per questa ragione il processo convettivo trasporta più energia ai poli, formando un vero e proprio ciclo delle nubi del pianeta di cui conosciamo ancora molto poco.
La Grande Macchia Rossa, come accennato in precedenza, è una vasta tempesta anticiclonica, posta a 22° sotto l'equatore del pianeta, che dura da almeno 300 anni. La tempesta è abbastanza grande da essere visibile con telescopi posti sulla Terra.
Fu osservata per la prima volta da Cassini o da Hooke attorno al 1665. Ha un colore rosso perché, si pensa, contiene un gas ricco di metano, che proviene dagli strati sottostanti dell'atmosfera. Questo modello rimane tuttavia speculativo.

L'oggetto ha una forma ovale e ruota in senso antiorario, con un periodo di circa 6 giorni. Le dimensioni della Grande Macchia Rossa, piuttosto variabili, sono 24-40.000 km per 12-14.000 km. È abbastanza grande da contenere due o tre pianeti della grandezza della Terra. Le nuvole in cima a questa tempesta si trovano circa 8 km più in alto di quelle circostanti.
Tempeste come queste non sono rare nelle atmosfere dei pianeti giganti gassosi. Per esempio, Nettuno ha una Grande Macchia Scura. Saturno ha avuto brevemente grandi macchie bianche. Anche Giove ha degli ovali bianchi, assieme ad altri marroni, tutte tempeste più piccole e senza una denominazione. Gli ovali bianchi sono in genere composti da nuvole relativamente fredde nell'alta atmosfera. Gli ovali marroni sono più caldi, e si trovano ad altezza normale. Queste tempeste possono durare indifferentemente poche ore o molti secoli. Oggigiorno l'ovale bianco sotto la macchia Rossa è una nuova tempesta: è stata nominata la macchia rossa junior ed è grande quanto la Terra. Le simulazioni suggeriscono che la Macchia possa assorbire tempeste più piccole, e in effetti episodi simili sono stati intravisti al telescopio. Nel settembre 2008 la NASA scopre un'altra nuova frammentazione della grande macchia rossa: si tratta della cosidetta Baby macchia rossa, una picolissima formazione ciclonica distaccatasi dalla grande macchia rossa ed all'inizio di ottobre 2008 riassorbita nuovamente dopo un transito. Attualmente (2008), la Grande Macchia Rossa è grande circa la metà di come lo era 100 anni fa, e il suo colore rosso è più sbiadito che in passato. Non si sa quanto la Macchia durerà, o se questi cambiamenti sono il risultato di normali fluttuazioni.

Nella figura a destra, sequenza di avvicinamento della Voyager a Giove. Si notino le tempeste e le bande. Immagine NASA.
F. Canepari