Teoria sulla formazione del ghiaccio Cometario

by Backman 

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Introduzione

Infatti, le comete, secondo le teorie più accreditate sono uno dei primi oggetti nati nel sistema solare. ed è probabile che conservino al loro interno la materia interstellare da cui si è evoluto il sistema solare come lo conosciamo adesso. Ultimamente, alcuni scienziati hanno individuato nelle comete il veicolo quale mezzo di trasporto dell’acqua e della vita sul nostro pianeta.
 
La formazione del sistema solare è dovuta alla polvere  interstellare che proviene da un esplosione di un Supernova o di una Nova, dopo un lunghissimo viaggio pian piano si è addensata dando origine al sole ed ai pianeti. 
 

La nascita del Sistema Solare  

• Il collasso gravitazionale e la frammentazione della polvere interstellare:

in questa fase iniziale, le molecole gassose si condensano, assorbono ed reagiscono con i granelli di polveri, formando un mantello di ghiaccio. L’irraggiamento degli UV ionizza le molecole di idrogeno, i raggi cosmici penetrano all’interno della nube alterando lo stato del ghiaccio. Le parti più dense si collassono velocemente creando sub-nuvole. Tutta questa massa ruotava intorno ad un unico asse, formato da particelle e gas. Si sta formando una proto-stella: il sole .
 
• Formazione della nuvola primordiale solare:

Durante questo processo di addensamento delle polveri, la nebulosa potrebbe essere stata altamente riscaldata dallo shock di onde inducendo alla congrezione dei gas. All’interno di questa regione si sarebbe raggiunta una temperatura così alta da sublimizzare i granelli esistenti. Successivamente, a seguito del raffreddamento, si sarebbero ricondensati in altra regione della nuvola primordiale, dando luogo a materiale con diversa composizione e struttura. Tale fenomeno si sarebbe verificato in altre zone della nube in considerazione alla distanza dal fulcro e dalla composizione dei materiali in quella zona, dove l’equilibrio termico avrebbe dato luogo ad innescare tale processo. 
 
• Addensamento delle polveri

A causa della differente sedimentazione e velocità dovuta alla differenza di massa delle polveri, queste iniziarono a scontrarsi ed unirsi tra loro dando origine a polveri di alcuni millimetri. Questo effetto forma un piano sul quale lentamente le polveri a seguito dei ripetuti scontri si ingrandiscono sempre di più fino a raggiungere dimensioni di pochi metri.
 
• I Planetesimi

Quando la densità del piano raggiunse il limite critico le particelle iniziarono ad avere una gravitazione inistabile, creando i planetesimi. E’ probabile che i primi nuclei cometari siano nati in questa epoca. La fascia di Kupier potrebbe essere ciò che rimane di un planetesimo che ha resistito fino ai nostri giorni. A causa delle continue collisioni i planetesimi si addensarono sempre di più formando i pianeti. In questa fase la materia viene modificata dalle alte temperature interne dei pianeti dovute alle alte pressioni a cui erano soggette.
 
• Dispersione dei gas della nebulosa

A causa delle radiazioni solari la nube dei gas che ancora persisteva all’interno del neonato sistema solare fu spazzata via. Simili osservazioni sono state fatte osservando T -Tauri.

Abbondanza degli elementi elementi e le loro proprietà chimiche 

Sinteticamente l’ordine di abbondanza degli elementi ha le seguenti proporzioni:

Dove >> indica la differenza maggiore in ordine di magnitudine, e > minore. 
 
 
 

Nella tabella 1, vengono riassunti le proprietà chimiche dei materiali e la loro abbondanza, aventi proprietà chimiche relative a temperature compresa tra i 10-1.000K e con pressione di 10^-4 Atm tipica a 1 UA dal Sole

I maggiori componenti sono i gas volatili come H e He, mentre i solidi  C, N, O sono molto più abbondanti del Mg, Si, Fe, e Ni. Gli elementi N, C, O combinati con H danno origine al ghiaccio organico, mentre Mg, Si, Fe. sono gli elementi che formano le rocce, ciò implica che il ghiaccio e i materiale organico ha più probabilità di essere abbondate che non le rocce ed metalli, in condizioni appropriate.

La volatilità di un elemento dipende da tipo di legame che unisce le singole molecole e atomi nei solidi. Le molecole di ghiaccio di H₂O e NH3 hanno legami di idrogeno, mentre il ghiaccio di CH4 ha legame di Der Waals , come i materiali organici con interazione bipolo-bipolo, il legame delle rocce è valente, e gli atomi di metallo sono uniti dal legame metallico. Il legame Idrogeno e quello di Der Walls hanno una bassa energia nell’ordine di 0.01-0.1 eV, mentre il legame valente e metallico e nell’ordine di 10eV. In termini di temperatura i primi due legami citati corrispondono alla temperatura di 100-1.000K, mentre per gli altri tipi di legame la temperatura e di 10.000K.

Composizione dei nuclei cometari  

Dalla composizione chimica individuata in alcuni nuclei cometari (vedi tabella 2), si nota la presenza di molecole ossidate come CO e CO₂ e  ridotte come CH4 NH3 HCN, indicando che il ghiaccio cometario è una mistura di componenti ossidati e ridotti. Questo ha un significato importate per comprendere l’origine delle comete, in quanto il ghiaccio, come si è detto, si è formato a seguito della condensazione dei gas. La condensazione del gas nella nuvola primordiale, secondo la teorie più accreditate, si è verificata in condizioni di equilibrio termico, mentre dal contenuto delle molecole presenti nei nuclei cometari presi in esame il ghiaccio si sarebbe formato in una condizione di non equilibrio termico.

Teorie sull’origine del ghiaccio cometario  

La prima afferma che il ghiaccio si è formato nella nuvola primordiale e nella sub nuvola Gioviana; nella seconda la formazione si sarebbe verificata assieme alla nube primordiale.

La prima teoria, denominata "quenching theory" si base sul raffreddamento del gas nella nube solare, dove il ghiaccio cometario era una mistura di ghiacci condensati a seguito del raffreddamento della nebula solare, seguita da un successivo riscaldamento ad alte temperature e nuova condensazione del ghiaccio in prossimità della subnuvola Gioviana.

La seconda teoria afferma che il ghiaccio cometario si sarebbe formato durante la condensazione della nebula solare.

Le principali differenze delle due teorie sono:

1. Condensazione nella nube solare
1. sublimazione dei gas residui del ghiaccio interstellare

Quenching theory 

La scala di tempo usata per raggiungere la Tq è il punto primario di questo modello teorico; poiché la condensazione del gas si raggiunge alla temperatura Tq.

Prinn e Fegley nel 1989, suggerirono un modello nel quale considerando il rapporto tra i gas del carbonio CO/CH₄, in considerazione della temperatura e della pressione, il CO è dominate ad alta temperatura e bassa pressione, al contrario il CH4 e dominate a temperatura bassa e pressione alta; chiave di lettura che tende a dimostrare che CH₄ è dominate nella subnube Gioviana dove le condizioni di pressione sono alte simili alla nube solare. Similare condizione si verifica per i composti del Nitrogeno dove N₂ è maggiore di NH₃ nella nube solare e NH₃ è circa uguale in quantità a N₂ nella subnuvola Gioviana. Si ricorda che in questo modello il ghiaccio cometario si è condensato sia nella nube solare che in quella Gioviana.

I meccanismi di missaggio proposti dai due scienziati citati sono:

1) Ossidazione dei gas nella nube solare e riduzione nella nube Gioviana o vice versa. 

2) Parziale mixaggio nella sub nebula e nella nebula solare. 

Successivamente questo modello verrà approfondito.

Teoria del residuo ghiaccio interstellare  

La prima fase si verifica nella nube interstellare, dove le molecole gassose si condensano in grani di polveri creando un mantello ghiacciato. La temperatura in questa densa regione è di circa 10K, sufficiente a condensare i gas molto volatili come il N₂ e CO. La composizione del mantello riflette la composizione delle  molecole della nube interstellare separata da ioni positivi, inoltre il mantello è composto da una mistura di componenti ossidati e ridotti. 

Questo avviene poichè la chimica delle particelle prevale nella nube interstellare, a differenza della nube solare dove si ha un processo chimicco-temico, basato su reazioni ione-moleccola del gas che in questa fase ha bassa densità e temperatura, e i processi di alterazione chimica avvengono per irraggiamento dovuto agli UV ai dei raggi cosmici.

La seconda fase avviene durante e dopo la formazione della nube solare. I principali meccanismi sono la distribuzione della temperatura nella nube solare e la sua variazione nel tempo. Nella regione interna la maggior parte dei grani potrebbe essere completamente sublimizzata, e successivamente i gas raffreddando si sarebbero ricondensati nuovamente, in una regione della nube solare dove la temperatura non molto alta tanto da poter permettere la condensazione delle molecole in ghiaccio. Il grado di sublimazione dipende anche dalla distanza dal sole; in questa zona si sarebbero formate la comete. 

Sulla base di questo scenario Yamamoto deduce i seguenti risultati:

1) L’osservazione delle abbondanze molecolare nelle comete è approssimativamente riprodotta nella nube interstellare ad eccezione del N₂ e CO. 

2) N₂ e CO nelle Comete sono stati osservati in più ordini di magnitudine comparati con abbondanza interstellare 

3) Dalla 1) e dalla 2) la temperatura di formazione è stata stimata per la sublimazione di N₂=20K e di CO=70K. 

 
La temperatura di sublimazione di una determinata molecola è in funzione della densità del gas nella nube solare. Attraverso una serie di calcoli matematici si dimostra che vi una precisa relazione tra il gas a una determinata temperatura e la temperatura delle particelle (grani) è determinata dal bilancio energetico dei grani nella nube solare

I grani sono riscaldati a causa della collisione con le molecole gassose, chi contribuisce di più a questo riscaldamento sono le molecole di H₂. 

D’altro canto i grani della nube solare si raffreddano a causa della loro emissione termica. 

Ne consegue un diagramma dal cui equilibrio, in funzione della temperatura dei nuclei cometari che della polvere solare, è possibile stimare dove secondo questo modello si sono formati i nuclei cometari, dove la temperatura di sublimazione per il N₂=20K e per il CO₂=70K, questo valore è stimato a circa 80-110 AU, dal Sole, in considerazione della distribuzione del calore assunto per un equilibrio radiale o adiabatico.

Nel modello "residuo nube interstellare", sono state fatte troppe semplificazioni. Alla luce delle ultime scoperte relative alle proprietà chimiche che avvengono della sublimazione di una mistura di ghiacci, si devono rielaborare i calcoli sopra menzionati. Infatti, è stato dimostrato in laboratorio che un agglomerato di ghiaccio composto da due o più molecole specifiche, il processo di sublimazione avviene attraverso un complicato procedimento in funzione della temperatura. Per esempio il ghiaccio composto da CO/H₂O con rapporto di 0.5 condensato alla temperatura di 10K, il processo di sublimazione si verifica attraverso 7 processi con temperature diverse, riportate nella seguente tabella:
 

I risultati ottenuti indicano le seguenti importanti implicazioni:

- Il CO si trasforma in H₂O ad alte Temperature; dimostrando che non è necessario una temperatura di 20-25 K per la sua formazione nel nucleo cometario. 

- La quantità di molecole osservate nella chioma di una cometa non è detto che sia la stessa nel nucleo. 

Inoltre nel modello si tiene conto delle molecole gassose per la costruzione del mantello di ghiaccio, senza includere le sostante solide. Lo studio dovrebbe, invece, comprendere i fenomeni chimici di agglomerazione sia delle particelle solide che di quelle gassose, non solo per la determinazione della composizione del ghiaccio cometario, ma anche per comprendere la connessione tra la nube interstellare e la formazione del ghiaccio nelle comete.
 

L’indizio per verificare le due teorie è la struttura cristallina del ghiaccio, che dipende dalla condizione di condensazione e dalla temperatura del ghiaccio dopo la condensazione. Prendendo in esame il vapore di H₂O, quando condensa a bassa temperatura, diventando solido, si forma un ghiaccio amorfo poiché le molecole non possono sufficientemente diffondersi per posizionarsi con struttura cristallina. Al contrario ad alte temperatura le molecole del vapore di H₂O si solidificano con una struttura cristallina. Si può verificare la cristallizzazione di una struttura di ghiaccio amorfo ad una determinata temperatura solo dopo un lungo periodo di tempo. E’ stato calcolato che alla temperatura di circa 80K il ghiaccio di H₂O amorfo si trasforma in ghiaccio cristallizzato in un periodo di 4.6 miliardi di anni.

Questo fatto mette a confronto le due teorie, la "quenching theory" prevede la condensazione del H₂O ad una temperatura di 150K nella nebula solare, ed a temperature più alte nella subnevola Gioviana. L’altra prevede che la condensazione si sia verificata ad una temperatura di circa 70K. Pertanto il tipo di struttura molecolare potrebbe avvallare l’una o l’altra teoria.

Processo di alterazione del ghiaccio cometario 

Non essendo possibile, almeno per il momento, avere un campione cometario, non è facile individuare la struttura del ghiaccio, per cui si deve procedere secondo un modello matematico che cerchi di risolvere, almeno in parte, quanto teorizzato nei due modelli brevemente illustrati. Infatti la variazione della struttura del ghiaccio potrebbe essere stata influenzata da vari fattori non per ultimo il tempo.

Partendo da due presupposti si può cercare di capire i processi di alterazioni che si sono verificate nelle comete:

1) Processo di condensazione prima e durante la formazione dei nuclei cometari 

2) Processo della formazione del ghiaccio dopo la formazione del nucleo. 

Nel primo si affronta il riscaldamento a seguito della collisione delle polveri durante la formazione dei cometesimi nella nube solare o nella nube interstellare; o di altra possibile causa avvenuta durante la fase ad alta temperatura in cui si formava la nube solare e degli effetti del calore sui nuclei cometari; ed infine, delle all’irraggiamento dovuto a particelle cariche che potrebbero aver alterato il ghiaccio. Questo processo potrebbe aver avuto effetti non solo sulla superficie delle polveri che formarono i nuclei cometari ma anche sulla superficie dei nuclei durante la loro permanenza nella fascia della nube di Oort.

 
Nel secondo punto si affrontano le alterazioni del ghiaccio in un nucleo cometario. Uno di questi processi è l’evoluzione termica dei nuclei durante la rotazione intorno al Sole, che potrebbe aver cambiato la struttura del ghiaccio e la sua composizione chimica. Fattore di grande importanza è la conducibilità termica del nucleo cometario. Altro possibile fattore di riscaldamento deriva della riscaldamento radiattivo+++ , dove si considera un nucleo centrale in una fase in cui è liquido ed a causa del riscaldamento provocato al nuclides AL₂₆ (materiale radioattivo a corto periodo: 9.63x10^-7 Decadimento radioattivo), potrebbe aver trasformato il ghiaccio da struttura amorfa a cristallina.

 
La storia termica di una cometa dipende dalle caratteristiche del nucleo, dalla sua struttura, dalla conducibilità termica del ghiaccio e dalla quantità di materiale radioattivo ed altro. Partendo dai dati in possesso ottenuti grazie alla osservazione della cometa Halley, è stato stimato che il suo nucleo ha una densità molto bassa circa 0.28-0.65 g/Cm², cioè una densità pari a quella del ghiaccio e del silicio, entrambi componenti dei nuclei cometari.

Partendo dal presupposto che i nuclei cometari siano composti da un mantello formato da ghiaccio di H₂O amorfo e un nucleo centrale di Silicio, si può asserire che i nuclei, per la densità rilevata, abbiano una struttura molto porosa.

Conducibilità termica 

Nelle struttura sopra citata la conducibilità termica tra il mantello e il nucleo è in funzione della porosità della cometa, dal fattore di cristallizzazione del ghiaccio da amorfo, dalla conducibilità termica delle polveri, e dal tempo

 
Riscaldamento dovuto al decadimento radioattivo. 
 

Partendo dal presupposto che il nucleo di una comete contenga il silicato e che questo abbia una certa quantità di materiale radioattivo simile a quello della condrite cabonica*****, che è uno dei più diffusi materiali del sistema solare di origine primaria, e che i principali materiali radioattivi che potrebbero aver contribuito a riscaldamento del nucleo sono K₄₀, Th₂₃₂, U_235, U₂₃₈, Al₂₆, si può giungere alle seguenti conclusioni: una quantità limitata di materiale radioattivo può riscaldare notevolmente il nucleo cometario per un lungo periodo di anni, addirittura 10⁹ , permettendo la trasformazione del ghiaccio da amorfo a cristallina.

Nella tabella 4 vengono riportati i valori dei materiali radioattivi relativamente alla quantità nella nube primordiale, al decadimento radioattivo e alla energia rilasciata. Da questa si deduce che Al₂₆ potrebbe essere il materiale ideale per il riscaldamento radioattivo del nucleo.

La cristallizzazione di un ghiaccio originariamente amorfo avviene tramite un meccanismo di riscaldamento latente ed un energia chiamata Attiva. Per la trasformazione strutturale occorre un energia di latente di 9x10⁸ erg g^-1 ed un energia attiva di 7.42x10¹³ erg per le molecole di H₂O.

Per descrivere la storia termica di un nucleo cometario, si devono considerare tutti i fattori citati. 

Partendo da alcune considerazioni quali la forma sferica del nucleo, con struttura porosa - conseguenza di una bassa densità - la trasmissione del calore sopra discussa in funzione del tempo, ed elaborando questi fattori secondo un procedimento matematico in funzioni di variabili quali il fattore di cristallizzazione del ghiaccio, il decadimento radioattivo, albedo del nucleo, e la luminosità del Sole in funzione della distanza.

Alla fine della complessa elaborazione, e utilizzando valori conosciuti, e\o approssimati a valori teorici, il risultato evidenzia che ci sono buone probabilità che la struttura del ghiaccio si sia trasformata da amorfa a cristallina.

Ciò ne consegue che la teoria più probabile che spieghi la formazione del nucleo cometario è la quenching theory.

ASA ago-98

Bibliografia

Origin and Evolution of Cometary Ice di Tetsuo Yamamoto (1996), reference

 Il file originale, zippato, in lingua inglese, può essere prelevato cliccando qui