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Stage astrofisica 2010- 11. Osservazioni dallo Spazio  - G.Piccioni
 

Stage astrofisica 2010- 11. Osservazioni dallo Spazio - G.Piccioni

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Stage di astrofisica IASF/IFSI, 3° Edizione

Stage di astrofisica IASF/IFSI, 3° Edizione
Giorno 4- Lezione 11: Le missioni spaziali, le Osservazioni dallo spazio

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    Stage astrofisica 2010- 11. Osservazioni dallo Spazio  - G.Piccioni Stage astrofisica 2010- 11. Osservazioni dallo Spazio - G.Piccioni Presentation Transcript

    • Cosa ci offre una missione spaziale planetaria ? (in particolare con la spettroscopia) Giuseppe Piccioni (INAF-IASF) [email_address]
    • Breve prefazione: il caso “sociale”, ovvero perché l’esplorazione spaziale è fonte di ricchezza (produce molto di più di quello che si investe)
    • Esempio, consideriamo il caso NASA
      • Il budget NASA 2010 è di $18.7 miliardi , di cui approssimativamente $5-$7 miliardi per l’esplorazione spaziale (quello di ESA per il 2010 è di €3.7 miliardi, circa $5.3 miliardi ).
      • Per comparazione:
      • National Debt Payment: $10.2 trilioni ( 580 volte il budget NASA )
      • Department of Defense: $515.4 miliardi ( 29.3 volte il budget NASA )
      • Global War on Terrorism: $189.3 miliardi ( 10.8 volte il budget NASA )
      • Health & Human Services: $68.5 miliardi ( 3.9 volte il budget NASA )
      • Department of Transportation: $63.4 miliardi ( 3.6 volte il budget NASA )
      • Department of Education: $59.2 miliardi ( 3.4 volte il budget NASA )
      • Department of Housing & Urban Development: $38.5 miliardi ( 2.2 volte il budget NASA )
      • Department of Energy: $25.0 miliardi ( 1.4 volte il budget NASA )
      • Nel 2009, il Congresso USA ha approvato uno "stimolo" di $787 miliardi per banche, mutui ed industrie automobilistiche per 1 anno. Questo equivale ad un funzionamento NASA per i prossimi 42 anni !!!
    • Esempio, consideriamo il caso NASA
      • Qualche altro dato comparativo interessante:
      • Secondo un rapporto del Barna Research Group and the Baptist Press del Novembre 2003, gli Americani in un anno spendono in media:
      • $586.5 miliardi in giochi d’azzardo;
      • $80 miliardi in droghe illegali;
      • $58 miliardi in consumo di alcol;
      • $31 miliardi in tabacco;
      • $250 miliardi in trattamenti medici per le cure legate ai problemi di cui sopra
      • Inoltre, nel 2003, gli Americani hanno speso:
      • $224 miliardi per mangiare fuori casa;
      • $191 miliardi per barche private;
      • $67 miliardi in cene fredde;
      • $25 miliardi in giardinaggio;
      • $22.1 miliardi nella caccia;
      • $21.3 miliardi in prodotti stravaganti;
      • $15 miliardi in cibi snacks
      budget NASA 2010 è di $5-$7 miliardi per l’esplorazione spaziale
    • Esempio, consideriamo il caso NASA
      • Da un rapporto di NBC Nightly News (Saturday, Nov. 24, 2006):
      • Americans collectively spent $8.9 billion in ONE day during the post-Thanksgiving holiday shopping event known as "Black Friday“.
      • Questo corrisponde a circa metà dell’intero budget NASA di un anno intero !!!
    • Esempio, consideriamo il caso NASA
      • Da uno studio per NASA-1971 del Midwest Research Institute risultò:
      • "The 25 billion in 1958 dollars spent on civilian space R & D during the 1958-1969 period has returned $52 billion through 1971 and will continue to produce pay-off through 1987, at which time the total pay off will have been $181 billion. The discounted rate of return for this investment will have been 33 percent."
    • Esempio, consideriamo il caso NASA
      • Un articolo del prestigioso giornale scientifico "Nature" (January 9, 1992, pag. 105-106), riportava:
      • "The economic benefits of NASA's programs are greater than generally realized. The main beneficiaries (the American public) may not even realize the source of their good fortune..."
    • Esempio, consideriamo il caso NASA
      • Una conferma che lo “spazio paga” può essere trovato nel rapporto Chapman Research 1989, che esaminò solamente 259 applicazioni non spaziali di NASA in un periodo di 8 anni dal 1976 al 1984 e trovò che queste applicazioni portarono in aggiunta a:
      • $21.6 miliardi di vendita in merci;
      • 352,000 posti di lavoro creati o preservati (principalmente qualificati);
      • $355 miliardi di gettito fiscale federale aggiunto
    • Esempio, consideriamo il caso NASA
      • Finora, NASA ha prodotto 1500 “spin-off”, senza per altro contare gli altri impieghi e le applicazioni tecnologiche e sociali indirette di più difficile tracciabilità
      • CAT scans
      • MRIs
      • Kidney dialysis machines
      • Heart defibrillator technology
      • Remote robotic surgery
      • Artificial heart pump technology
      • Physical therapy machines
      • Positron emission tomography
      • Microwave receivers used in scans for breast cancer
      • Cardiac angiography
      • Monitoring neutron activity in the brain
      • Cleaning techniques for hospital operating rooms
      • Portable x-ray technology for neonatal offices and 3rd world countries
      • Freeze-dried food
      • Water purification filters
      • ATM technology
      • Pay at the Pump satellite technology
      • Athletic shoe manufacturing technique
      • Insulation barriers for autos
      • Image-processing software for crash-testing automobiles
      • Holographic testing of communications antennas
      • Low-noise receivers
      • Cordless tools
      • A computer language used by businesses such as car repair shops, Kodak, hand-held computers, express mail
      • Aerial reconnaissance and Earth resources mapping
      • Airport baggage scanners
      • Distinction between natural space objects and satellites/warheads/rockets for defense
      • Satellite monitors for nuclear detonations
      • Hazardous gas sensors
      • Precision navigation
      • Clock synchronization
      • Ballistic missile guidance
      • Secure communications
      • Study of ozone depletion
      • Climate change studies
      • Monitoring of Earth-based storms such as hurricanes
      • Solar collectors
      • Fusion reactors
      • Space-age fabrics for divers, swimmers, hazardous material workers, and others
      • Teflon-coated fiberglass for roofing material
      • Lightweight breathing system used by firefighters
      • Atomic oxygen facility for removing unwanted material from 19th century paintings
      • FDA-adopted food safety program that has reduced salmonella cases by a factor of 2
      • Multispectral imaging methods used to read ancient Roman manuscripts buried by Mt. Vesuvius
      Di seguito, solo alcuni esempi di implicazioni sociali provenienti dall’esplorazione spaziale (e non solo per il caso NASA):
    • Il caso scientifico
      • Perché si osserva dallo spazio ?
      • … per risolvere alcuni importanti problemi legati all’osservazione da terra, come quelli di seguito indicati.
    • Primo problema
      • L’atmosfera terrestre attenua o cancella completamente alcuni “colori”
      • Unici “colori” permessi sono nelle cosiddette “finestre atmosferiche”
        • non è solo un problema di nubi ma anche queste fanno la sua parte…
    • Finestre atmosferiche
    • Secondo problema
      • La visibilità dei corpi celesti
      • L’osservazione è permessa soltanto a certe ore e con geometrie ben definite
        • gli oggetti si muovono o troppo velocemente o troppo lentamente
    •  
    • Terzo problema
      • La risoluzione spaziale, ovvero la capacità di vedere nei minimi dettagli
      • E’ legato agli aspetti tecnologici ed ai limiti indotti dagli altri punti discussi
        • Osservare un dettaglio di 1m a 1UA, è del tutto equivalente ad osservare 1 singolo atomo a 20m di distanza !
      20 m
    • Quarto problema
      • Le costrizioni dovute alle condizioni di illuminazione (local time, ecc…)
        • Un’ osservazione spesso è permessa se e solo se un obiettivo è illuminato o in ombra
    • Marte - Olympus Mons da HRSC-MEX
    • Quinto problema
      • La “copertura”, ovvero la mappa completa ed esaustiva dell’obiettivo con la risoluzione prestabilita ed alle condizioni di luce definite
    • Sesto problema
      • L’”in-situ”, ovvero la necessità di “toccare” (con mano o robot) l’obiettivo da studiare
        • tanto per fare qualche esempio: per misurare il campo magnetico, l’attività sismica, l’analisi elementare e mineralogica microscopica, identificare forme di vita, ecc…
      • Un esempio…
        • La missione ESA Venus Express
    •  
    •  
    •  
    • Lancio di Venus Express 9 Novembre 2005
    • Lancio di Venus Express 9 Novembre 2005
    • Come osserviamo Caso 1, osservazione al pericentro Caso 2, osservazione Off-pericentro Caso 3, osservazione all’a pocentro
    • Spettro tipico di Venere nel lato non illuminato (lato notte) Le finestre atmosferiche venusiane permettono lo studio fino alla superficie
      • Acido Solforico (H 2 SO 4 ) + ?
      Strati delle nuvole Lato giorno Lato notte, infrarosso (finestre atmosferiche) Questa parte non è accessibile attraverso la luce visibile, né nel lato notte, né in quello giorno. Occorre l’infrarosso ! Cosa osserviamo “da orbita” Strato Nebbia Alto Medio Basso Nebbia 90 km 68 57 51 48 32-10 Dimensione particelle [micron] <0.5 2.7-3.2 3.2-3.8 1.8-32 <0.5
    • Immagine a colori “veri” di Venere acquisita il 19 Aprile 2006 da VIRTIS; e il contrasto ?
    • Stessa immagine ma nel Blu-UV Il contrasto è molto migliore a causa dell’assorbitore-UV “sconosciuto”
    • Venere si svela di notte ! Immagine nell’infrarosso (1.7 micron) del lato notte di Venere acquisita il 12 Aprile 2006. La radiazione infrarossa ha la sua origine negli strati molto caldi posti al di sotto delle nubi e modulati dalla presenza delle nubi stesse. Il segnale registrato molto debole nonostante le alte temperature della sorgente e’ l’indicazione del tentativo estremo del pianeta di lottare contro l’effetto serra. Osservando l’emissione termica intorno a 5um si puo’ invece misurare la temperatura delle nubi, ad esempio in figura e’ mostrato il vortice polare nella sua configurazione di “dipolo” Intorno ad 1 micron e’ possibile persino “vedere” la superficie, penetrando la densissima coltre di nubi. Il “dipolo” è lungo circa 3700 km !
    • Caratteristiche globali viste nei raggi ultravioletti, lato giorno
      • Principali regimi dinamici:
      • Equatore -> caotico
      • Medie latitudini -> laminare
      • Polare -> spiraleggiante
      Real time ~8 hours Nuvole allungate Vortice polare sud Regione convettiva Bande luminose a medie latitudini Atmosfera bollente di giorno per il riscaldamento solare
    • Orbita 306 20 Febbraio 2007 Lato notte @ 1.7 μ m Distanza 50000 km circa Lato notte, simili regioni dinamiche (ma altitudine diversa) Atmosfera bollente di notte per l’alta temperatura superficiale
    • Lato notte
    • 1.74  m 1 2 3 Orbita 157 Lato notturno, infrarosso Distanza da 65000 a 37000 km “ Cumuli e temporali” nella notte di Venere Mini vortice
    • Occorrono almeno due immagini sovrapposte della stessa zona Es. orbita 157 da VIRTIS Lato notte @ 1.7 μ m Distanza da 65000 a 37000 km Lato notte di Venere: osservare le nubi per misurare la velocità dei venti
    • e con un “uragano” al polo grande 2700km Un’atmosfera 60 volte più veloce della parte solida del pianeta, ovvero la super-rotazione
      • Esempio di venti misurati nella zona equatoriale:
      • circa 400 km/h a 70 km altitudine
      • circa 200 km/h a 50 km altitudine
    • Dinamica istantanea interna molto complessa Vortice polare sud
    • Il vortice polare e la sua temperatura T = -30°C T = -45°C T = -60°C La temperatura nel vortice è la più alta di tutto il pianeta (a parità di altezza): riscaldamento adiabatico ESA/VIRTIS-VenusX (G. Piccioni) G. Piccioni et al., Nature 29 November 2007 ESA/VIRTIS-VenusX (A. Cardesin Moinelo) Clouds top thermal radiation ESA/VIRTIS-VenusX (A. Cardesin Moinelo)
      • Uso dei “traccianti”
      • per studiare la dinamica
      • e la composizione chimica
      • Es.: Ossigeno in emissione (“nightglow”)
    • “ Nuvole” di ossigeno nella notte di Venere Orbita 87, 16 Luglio 2006 Orbita 93, 22 Luglio 2006
    • Schema del meccanismo di nightglow 130 km 97 km ESA/VIRTIS-VenusX (R. Hueso)
    • La “terza” dimensione, ovvero osservare il profilo di un pianeta
    • Fenomeni luminosi nell’alta atmosfera
      • Emissione di fluorescenza dell’ anidride carbonica
      Luminescenza chimica dell’ossigeno (lato diurno) (lato notturno)
      • Qualche esempio di “in-situ”
    • Uomo sulla Luna
    • Prime “cartoline panoramiche” di Venere Venera-13 Venera-14 Venera-14
    • Prime “cartoline panoramiche” di Titano
    • Marte, sonda Phoenix
    • Marte, sonda Spirit
    • Obiettivo, uomo su Marte ?
      • Fine
      • (della presentazione)