Nuove sorprese dall'atmosfera polare di Venere

La sonda europea Venus Express ha permesso agli astronomi di esplorare per la prima volta le dinamiche atmosferiche al di sopra dei poli di Venere, una regione mai sondata prima. I dati rivelano temperature e pressioni ben al di sotto di quanto previsto ed evidenziano la presenza di importanti increspature atmosferiche ad alta quota.
Nei suoi ultimi mesi di missione, con sempre meno carburante a disposizione, Venus Express ha iniziato a perdere rapidamente quota, arrivando addirittura a calarsi più volte nelle propaggini esterne dell'atmosfera venusiana, prima di tuffarsi del tutto e porre fine alla sua missione. Durante i suoi ultimi passaggi, la sonda è riuscita ad assaggiare i gas e a campionare le condizioni atmosferiche in quota. Gli accelerometri, in particolare, hanno monitorato la decelerazione della sonda dovuta alle forze d'attrito con i gas atmosferici - un fenomeno noto come aerofrenaggio.

La densità dell'atmosfera polare di Venere a diverse quote. Credit: Figure courtesy of I. Müller-Wodarg (Imperial College London, UK)

"Usando gli accelerometri, siamo stati in grado di esplorare la densità dell'atmosfera venusiana," spiega Ingo Muller-Wodarg dell'Imperial College London. "Nessuno degli strumenti a bordo di Venus Express era stato progettato per effettuare simili osservazioni atmosferiche in situ. Ci siamo accorti solo nel 2006 - dopo il lancio! - che avremmo potuto usare gli accelerometri per effettuare questo tipo di misurazioni."
I dati - raccolti tra il 24 Giugno e l'11 Luglio 2014 tra 130 chilometri e 140 chilometri di quota, nell'ambito dell'esperimento VExADE - hanno rivelato che l'atmosfera polare è fino a 70 gradi più fredda del previsto, con una temperatura media di 114 K, ovvero -157 gradi centigradi. Questo dato è in linea con quanto osservato dallo strumento SPICAV.
Le sorprese non finiscono qua: l'atmosfera polare, infatti, è molto meno densa di quanto si credeva. A 130 e 140 chilometri di quota, la densità atmosferica è del 22% e del 40% inferiore rispetto alle previsioni, rispettivamente. Estrapolando questi risultati per ricostruire un profilo di densità che copra anche le altre porzioni dell'atmosfera, i dati risultano in linea con quanto era stato misurato in precedenza a 180 km di quota, dove la densità risultava essere due volte inferiore di quanto previsto.
"Questi risultati trovano conferma nei dati termici, e mostrano che i nostri modelli dipingono un'immagine fin troppo superficiale dell'atmosfera superiore di Venere," aggiunge Mullar-Wodarg. "Queste densità anomale potrebbero essere almeno in parte dovute ai vortici polari, forti sistemi di venti in prossimità dei poli del pianeta. I venti atmosferici potrebbero rendere la struttura di densità più complicata e ancor più interessante."
I dati rivelano inoltre la presenza di forti onde atmosferiche, fenomeni ritenuti di straordinaria importanza nel plasmare le atmosfere planetarie, compresa quella terrestre.
"Studiando come le densità atmosferiche cambiano e vengono perturbate nel corso del tempo, abbiamo trovato due tipi diversi di onde: onde planetarie e onde di gravità atmosferiche," spiega Sean Bruinsma del CNES. "Queste onde sono difficili da studiare, in quanto devi essere all'interno del'atmosfera del pianeta per poterle misurare correttamente. Le osservazioni in remoto non possono dirci molto su di esse."

Una mappa delle perturbazioni di densità osservate da Venus Express. Le linee nere verticali rappresentano 16 delle 18 orbite analizzate. Credit: ESA/Venus Express/VExADE/Müller-Wodarg et al., 2016

Le onde di gravità atmosferiche sono simili alle onde degli oceani e dei mari, ma viaggiano in verticale piuttosto che in orizzontale. In altre parole, si tratta di increspature nel profilo di densità delle atmosfere planetarie. Man mano che salgono di quota, le onde incontrano densità sempre più basse, e crescono in intensità. Le onde planetarie, al contrario, sono associate alla rotazione del pianeta sul suo asse. Pertanto, queste onde agiscono su una scala ben più grande, e hanno periodi di vari giorni.
L'atmosfera terrestre presenta entrambi i tipi di onde. Le onde di gravità possono interagire con le condizioni meteorologiche e provocare turbolenze, mentre le onde planetarie, conosciute anche come onde di Rossby, sono in grado di influenzare interi sistemi di pressione. Entrambe contribuiscono al trasporto di energia e momento da una regione all'altra.
"Abbiamo scoperto che le onde di gravità atmosferiche dominano l'atmosfera polare venusiana," aggiunge Bruinsma. "Venus Express le ha percepite come una sorta di turbolenza, un po' come quelle che incontriamo volando in aereo. Se volassimo attraverso l'atmosfera di Venere a quelle quote, non riusciremmo a sentire le turbolenze a causa della bassa densità dell'atmosfera, ma gli strumenti di Venus Express sono sufficientemente sensibili per rilevarle."
Gli astronomi ritengono che le onde atmosferiche percepite a 130-140 chilometri di quota abbiano avuto origine nello strato di nubi superiori, circa 40-50 km più in basso. I dati indicano anche che le onde planetarie rilevate da Venus Express avevano periodi pari a circa 5 gironi.
"Abbiamo controllato che le onde non fossero frutto delle nostre analisi," spiega Jean-Charles Marty del CNES.
L'aerofrenaggio viene spesso usato intenzionalmente per rallentare le sonde senza dover consumare una goccia di carburante. Il Trace Gas Orbiter della missione ExoMars 2016, decollato alla volta di Marte un mese fa, userà la stessa tecnica per tutto il corso del 2017 per calarsi nella sua orbita finale intorno al Pianeta Rosso.
"Durante quest'attività, raccoglieremo dati simili a quelli di Venus Express," spiega Hakan Svedhem dell'ESA. "Su Marte, la fase di aerofrenaggio durerà molto di più, circa un anno, quindi avremo a disposizione un quadro delle densità atmosferiche di Marte e delle loro variazioni con la stagione e la distanza dal Sole. Queste informazioni non sono di interesse solo agli scienziati; sono cruciali per sfruttare al meglio l'aerofrenaggio con future missioni."