[:it]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[:en]Atmosphere and habitability in terrestrial planets. The study: “A systematic study of CO2 planetary atmospheres and their link to the stellar environment” of A. Petralia (INAF-OAPA) recently appeared on MNRAS[:]
[:it]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)[:en]Terrestrial planets are common in the Milky Way. It has been estimated, in fact, that at least 30% of stars in the Solar neighborhood host a terrestrial planet, and this fraction increases to 40% considering the habitable zone around all M stars (e.g. stars with effective temperature between 2400 and 3700 degrees) of the Galaxy. The habitable zone is defined as the region around stars where terrestrial planets have the required surface temperature to host liquid water.
It can seem too simplistic to restrict the conditions for the habitability of planets to their distances from their central stars. In fact, the possibility of having liquid water on the surface of a planet depends over several conditions, such as the atmospheric pressure gradient and the presence of chemical elements that can induce the greenhouse effect. Thus, in order to constrain better the conditions at which planets can host liquid water, it is necessary to model their atmospheres in details. This is however a difficult problem, where several variables and processes must be taken into account, such as the energy deposited by the incident stellar radiation, the chemical composition of the atmosphere, the energy transport by convection, clouds, humidity, and the geological and biological processes on the surface. However, the problem can be simplified by approximating the atmosphere to a system with plane-parallel geometry. In this way, in fact, the only important variable is the altitude, and the problem becomes one-dimensional. In these models, thus, the atmosphere is approximated to “infinite vertical air columns”, where thermal equilibrium is set by convection and radiative transfer (accounting for stellar radiation, the thermal emission of the atmosphere, and scattered light, R-C models, radiative-convective).
Handling simplified problems allows the researchers to produce a high number of models exploring the space parameters in an extensive way. This is the method adopted by the team led by the astronomer A. Petralia, INAF – Astronomical Observatory of Palermo, to study the atmospheres of terrestrial planets, connect their properties to the environment, and study their habitability. The team has developed and exploited 6250 models of planetary CO2 atmospheres, varying several parameters such as the flux of stellar energy incident on the atmosphere (considering main sequence stars with spectral classes between F and K, e.g. effective temperatures between 2400 and 7400 degrees) and the concentration of CO2, adopting the method of R-C models. Several properties of the simulated atmospheres critically depend on these two parameters, such as the dilution of CO2. The exploration of such an intensive set of models has also allowed the astronomers to better analyse the condition at which water can be liquid in the surface, finding that most of half of the planets meet the conditions for habitability. The results of this study are described in the paper: “A systematic study of CO2 planetary atmospheres and their link to the stellar environment“, recently appeared on the journal Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Among the authors, the astronomers D. Locci, C. Cecchi-Pestellini, G. Micela and A. Ciaravella of INAF-Astronomical Observatory of Palermo, together with astronomers of the observatories of Padua and Cagliari.
The figure shows the scatter plot of the ratio between the surface temperature over the atmospheric equilibrium temperature (e.g. the temperature of a black body in equilibrium with the incident stellar radiation flux) as a function of the surface temperature. The models are marked with different colors according the intensity of the incident stellar radiation. The plot is divided into regions populated by planets where water exists in different conditions. It is evident that, in a large fraction of the studied models, water can be in liquid state on the planet surface.
Mario Giuseppe Guarcello ( follow mguarce)[:]