Lo spettrometro di massa della sonda Galileo analizzerà direttamente e ripetutamente, alle varie quote durante la discesa, i gas che compongono l'atmosfera del pianeta.
Rilevazione effettuate indirettamente con i sensori durante le quattro missioni che in precedenza sono transitate nei pressi di Giove, hanno fornito informazioni importanti sulle caratteristiche dei venti nel loro complesso e sulla composizione fisica degli strati atmosferici superiori ma in realtà hanno solo "scalfito la superficie". Non sono stati studiati infatti i moti che portano alla miscelazione degli strati di gas a differente altitudine.
Lo spettrometro fornirà inoltre un'analisi dettagliata della composizione chimica dell'atmosfera ed una spinta alla comprensione dei processi che portano alla formazione delle complesse e colorate formazioni nuvolose.
L'atmosfera di Giove è qualcosa di simile ad una stella: gli studiosi infatti ritengono che le abbondanze degli elementi siano virtualmente identiche a quelle del Sole. Sarebbe composto dal 90 per cento di idrogeno, quasi il 10 per cento di elio, incluso quantità minori di gas inerti come neon, argo, cripto e xeno, composti non inerti come acqua, metano, ammoniaca, idrosolfuro d'idrogeno, acetilene ed etano e tracce di altre sostanze.
Le misure di questo strumento saranno importanti anche per la comprensione dei processi che portarono alla formazione del sistema solare : i gas nobili, elio, argo, cripto e xeno sono chimicamente inerti, cioè molto difficilmente regiscono chimicamente con altri elementi per formare altri composti. Perciò, le abbondanze che rileviamo oggi, devono riflettere le stesse che si avevano all'inizio della formazione del sistema solare. Fare questa verifica nello spazio è estremamente difficile, a causa della scarsa presenza di questi elementi, l'atmosfera di Giove invece, rappresenta una vera e propria "riserva" ed un'opportunità unica per la sonda di misurarli; i risultati potranno essere utilizzati come valori di riferimento per le stesse analisi sulla Terra, sulle meteoriti e sui pianeti interni.
La scoperta di fulmini su Giove da parte dei Voyager, accresce nuovamente la possibilità di trovare composti organici ( le basi della vita terrestre ) formatisi nella troposfera gioviana. Un famoso esperimento di laboratorio eseguito diversi decenni or sono da Milller, dimostrò che in una miscela di gas, elementi inorganici, le scariche elettriche portavano alla sintesi di molecole organiche semplici come alcuni amminoacidi. La Galileo cercherà, durante la discesa, di rilevare la presenza di alcuni tipo di composti organici.
Verranno infine valutate le abbondanze di gas ed altri composti prodotti per sintesi fotochimica.
Lo spettrometro di massa identifica i gas misurando la massa degli ioni prodotti dalla ionizzazione provocata da un flusso di elettroni. Un gas viene fatto entrare nella zona di ionizzazione dopo di che viene investito dagli elettroni. Il flusso di ioni viene quindi diretto in un analizzatore a quadripolo, una serie di quattro aste di forma iperbolica lunghe 15 centimetri. Una differenza di potenziale a frequenza elevatissima viene applicata alle quattro aste per filtrare il flusso di ioni: variando il potenziale e la frequenza, si variano le caratteristiche del filtro permettendo il passaggio solo agli ioni di una massa e carica particolare, che vengono poi contati da un rivelatore di ioni.
I gas atmosferici entreranno nello spettrometro di massa attraverso due fori d'immissione sulla sommità del Probe. Questi fori sono chiusi da dispositivi in metallo e ceramica e tenuti sottovuoto fino all'ingresso nell'atmosfera di Giove. Piccole cariche esplosive li apriranno al momento stabilito, lasciando entrare i gas dell'atmosfera dove verranno spinti nelle camere di prova.
Uno dei compiti dello spettrometro sarà infatti quello di separare l'idrogeno dagli altri elementi per rilevare le abbondanze relative nei gas rimanenti nel campione da analizzare. Lo strumento include due cellule di "arricchimento" ed una di "purificazione". Alcuni gas passeranno attraverso le prime, dove sostanze chiamate captatori assorbiranno le tracce di gas particolari come la fosfina ( idrogeno fosforato ), solfuro d'idrogeno, idrocarburi complessi fino ai gas nobili rimasti, questi saranno quindi ammessi subito alla cella di ionizzazione per la successiva analisi. Le celle di arricchimento saranno invece riscaldate, i gas assorbiti riemessi e spinti alla camera di ionizzazione per l'analisi dei composti più complessi.
Lo spettrometro a bordo della Galileo, può senza alcun timore essere definito "lo stato dell'arte" di questa tipologia di strumenti. Particolarmente difficili sono stati i problemi e le scelte nella progettazione dell'"impianto idraulico" : i condotti d'ingresso e di trattamento dei gas, il riduttore di pressione ed il sistema di pompaggio. Un problema particolare è stato rappresentato dalla necessità di costruire un sistema di pompaggio che potesse estrarre con efficacia uno dei componenti principali, l'elio ( che notoriamente è difficile da "pompare" ), senza che avvenissero contaminazioni tra il sistema di pompaggio e lo spettrometro vero e proprio.
Lo strumento è stato costruito al Goddard Space Flight Center, pesa 11,8 kg e consumerà circa 25 watt. Il sistema di riscaldamento delle celle e quello di pompaggio avranno un assorbimento di energia pari al doppio ( 50 w ) rispetto allo spettrometro vero e proprio.
A differenza dei sensori a distanza, gli strumenti del Probe potranno compiere misurazioni dirette nei bassi strati dell'atmosfera dove si formano le nubi. Si suppone che riesca ad attraversare almeno due o tre strati di queste durante la discesa di oltre 60 minuti.
Le colorazioni delgli strati superficiali che possiamo osservare hanno origine negli strati profondi dell'atmosfera e si dovrebbe riuscire ad indagare sul ruolo dell zolfo in queste vivissime colorazioni.
Una piccola frazione dei gas andranno direttamente nella zona di ionizzazione.
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01/06/96 by MF