Giove, il gigante: la chimica e il collasso

Si analizzano qui di seguito le principali caratterestiche chimiche ed energetiche di Giove, in vista dell’arrivo della sonda JUNO previsto per il prossimo 4 luglio.

Giove è formato perlopiù di massa allo stato liquido e gassoso; con un raggio equatoriale di 71492 km, è il più grande pianeta del Sistema Solare, e viene classificato come gigante gassoso. Mentre l’atmosfera dei pianeti terrestri è appena dell’ordine di 1/10.000 della massa totale del pianeta, infatti, i pianeti gioviani sono dominati dai volatili e sono caratterizzati da un involucro estremamente massivo e ricco di idrogeno allo stato fluido che costituisce la quasi totalità del pianeta.

Questo tipo di pianeti possono mantenere un’atmosfera di tali proporzioni poiché essendo di notevole massa, sono meno soggetti alla fuga di gas leggeri a causa dell’elevata velocità di fuga (la velocità necessaria ad una particella per sfuggire al campo gravitazionale del pianeta, 59.5 m/s nel caso di Giove). Per questa ragione i pianeti gioviani si comportano come sistemi chiusi e mantengono una composizione atmosferica simile a quella primordiale. Ciò non significa che non vi sia evoluzione: vi sono infatti evidenze di un lento collasso che causa una conversione dell’ energia potenziale gravitazionale in energia radiativa nel medio infrarosso. In tal modo il raggio e la temperatura di superficie variano col tempo anche se non in misura particolarmente significativa da renderne necessario lo studio su piccole scale temporali (circa 1 mm/y). Dal punto di vista chimico invece quest’effetto è di fondamentale importanza in quanto il collasso rilascia un’elevata quantità di energia negli strati più interni del pianeta, generando fenomeni di convezione.
Questi fenomeni portano le particelle che si trovavano all’equilibrio chimico negli strati interni verso gli strati esterni, dove non si trovano più all’equilibrio. D’altro canto, particelle generate da processi di fotolosi ultravioletta negli strati esterni vengono portate verso l’interno del pianeta e reagiscono con altre sostanze per raggiungere l’equilibrio chimico.
La composizione chimica di Giove è molto simile a quella che avrebbe il Sole a bassa temperatura e l’abbondanza relativa di idrogeno, elio, metano e ammoniaca sono in accordo con le abbondanze degli elementi costitutivi del Sole. Se fosse più massiccio Giove potrebbe innescare semplici reazioni nucleari e sarebbe classificato come stella invece che come pianeta.

Lo strato esterno dell’atmosfera è costituito da piccoli cristalli di ammoniaca solida mentre la composizione chimica del pianeta sarà dominata da idrogeno ed elio (al 99%) e presenterà solo tracce degli altri elementi.
Persino l’ammoniaca ed il metano, che sono i principali componenti delle nubi sono presenti solo in una parte su diecimila.
Le specie chimiche presenti più rilevanti sono:

Ammoniaca (NH3): è molto abbondante nei primi strati per poi ridursi improvvisamente a causa della condensazione delle nubi e della fotolisi
Acqua (H2O):  è molto meno abbondante dell’ammoniaca, ma trovandosi in strati più interni del pianeta, non ne conosciamo l’abbondanza precisa.
Acido solfidrico (H2S): non è stato rilevato, ma ci si aspetta di trovarlo sotto le nubi.
Fosfina (PH3), Germano (GeH4), Arsina (AsH3), Monossido di Carbonio (CO): trovati in abbondanze simili a quelle aspettate per le abbondanze cosmiche, ma non per quelle gioviane. Dovrebbero essere instabili negli strati superiori e perciò si pensa che siano formati a livelli molto inferiori e trasportati dai fenomeni di convezione di cui sopra.
I colori delle nubi variano nel tempo, ma è incerta la loro origine. NH3, H2S e H2O sono incolori, ma zolfo, fosforo e composti organici potrebbero unirsi in diversi composti, detti cromofori, che generano il tipico colore visibile e che varia a causa dei venti.

[1] John H. Rogers, The Giant Planet Jupiter, Cambridge University press 1995.