Atmosfere di pianeti terrestri ed abitabilità. Lo studio: “A systematic study of CO2 planetary atmospheres and their link to the stellar environment” di A. Petralia (INAF-OAPA) pubblicato su MNRAS

I pianeti di tipo terrestre sono comuni nella Via Lattea. Si stima, infatti, che il 30% delle stelle nell’intorno solare ospita almeno un pianeta di tipo terrestre, e che attorno le stelle di classe spettrale M (ossia con temperatura efficace compresa tra 2400 e 3700 gradi) la presenza di pianeti terrestri nella fascia di abitabilità sia pari a circa il 40%. La fascia di abitabilità di un sistema planetario è definito come l’intervallo di distanze dalla stella centrale entro cui un pianeta di tipo terreste ha una temperatura superficiale tale da poter sostenere acqua allo stato liquido.

 

Restringere la condizione di abitabilità di un pianeta terrestre solo alla sua distanza dalla propria stella può sembrare riduttivo. Infatti, la possibilità di avere acqua liquida in superficie dipende fortemente anche da altri parametri oltre la temperatura sulla superficie del pianeta, ad esempio condizioni e proprietà dell’atmosfera come pressione e presenza di nubi che possono indurre effetto serra. Un’appropriata definizione di abitabilità, quindi, richiede uno studio teorico dettagliato delle possibili condizioni delle atmosfere planetarie. Si tratta, però, di un problema complesso, dove diverse variabili e processi giocano un ruolo importante: l’energia depositata dalla radiazione stellare, la composizione chimica dell’atmosfera, la presenza di nubi, l’umidità, il trasporto d’energia tramite moti convettivi, i processi geologici e biologici in superficie, etc… Il problema può essere però semplificato approssimando l’atmosfera ad un sistema a simmetria piano-parallela. In questo caso, l’unica variabile importante è l’altitudine, ed il problema diventa sostanzialmente unidimensionale. In questi modelli si considerano quindi “colonne verticali d’atmosfera” dall’estensione infinita, ricercando in esse le condizioni di equilibrio termico dettate dal trasporto di energia tramite moti convettivi dell’aria ed il trasferimento radiativo, includendo in esso la radiazione stellare, la radiazione termica dell’atmosfera, e la radiazione diffusa (modelli R-C, radiativi-convettivi).

 

La semplificazione del problema permette di realizzare un numero elevato di simulazioni, esplorando lo spazio dei parametri dei modelli in maniera estensiva. Questo è l’approccio adottato dal team di ricercatori guidato dall’astrofisico A. Petralia dell’INAF-Osservatorio Astronomico di Palermo, per studiare le atmosfere dei pianeti terrestri, connettere le loro proprietà all’ambiente circostante e studiare le condizioni di abitabilità del pianeta. I ricercatori hanno prodotto ed analizzato 6250 simulazioni di atmosfere di CO2, variando diversi parametri fondamentali come il flusso di energia irradiato dalla stella (considerando stelle di sequenza principale con classe spettrale FGKM, ossia con temperature che variano da 2400 a 7500 gradi) e la concentrazione di CO2, utilizzando l’approccio dei modelli R-C. Come dimostrato da questo studio, diverse proprietà fisiche delle atmosfere planetarie simulate, soprattutto il livello di diluizione della CO2, dipendono criticamente da questi due parametri. L’esplorazione di un set così ampio di modelli ha permesso al team di ricercatori anche di definire meglio le condizioni di abitabilità dei pianeti, verificando che in più della metà dei pianeti simulati la temperatura in superficie è tale da permettere l’esistenza di acqua allo stato liquido. I risultati dello studio sono descritti nell’articolo: “A systematic study of CO2 planetary atmospheres and their link to the stellar environment“, recentemente pubblicato sulla rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Tra gli autori, anche gli astronomi D. Locci, C. Cecchi-Pestellini, G. Micela e A. Ciaravella dell’INAF-Osservatorio Astronomico di Palermo, insieme ad astronomi degli osservatori di Padova e Cagliari.

 

La figura mostra la distribuzione del rapporto tra temperatura superficiale e temperatura di equilibrio dell’atmosfera (calcolata approssimando il pianeta ad un corpo nero in equilibrio con il flusso di radiazione stellare incidente) in funzione della temperatura superficiale. I modelli sono divisi in funzione dell’intensità della radiazione stellare incidente. Sono inoltre evidenziate le regioni del diagramma popolate da pianeti che ospitano in superficie acqua in condizioni diverse, e si vede come in un gran numero di modelli è prevista acqua allo stato liquido.

 

Mario Giuseppe Guarcello  ( segui mguarce)