Una delle curiosità più sorprendenti del Sistema Solare riguarda Saturno: il pianeta degli anelli, secondo per grandezza dopo Giove, è così poco denso che, in teoria, galleggerebbe sull’acqua. Ovviamente parliamo di un esperimento mentale: nessuna piscina cosmica può ospitare un pianeta di 120.000 chilometri di diametro. Ma la fisica dietro questa affermazione è solida e racconta molto della natura dei giganti gassosi.
La curiosità in due righe
Saturno ha una densità media di circa 0,687 grammi per centimetro cubo. L’acqua dolce ha una densità di esattamente 1 grammo per centimetro cubo. Poiché un oggetto galleggia in un fluido quando la sua densità è inferiore a quella del fluido, in linea teorica Saturno galleggerebbe in un oceano di acqua, lasciando emergere una parte significativa di sé sopra la superficie.
È l’unico pianeta del Sistema Solare a possedere questa caratteristica. Gli altri giganti gassosi — Giove, Urano e Nettuno — hanno densità medie maggiori dell’acqua, anche se restano molto «leggeri» rispetto ai pianeti rocciosi.
Cos’è la densità e perché conta
La densità è il rapporto tra la massa di un corpo e il volume che occupa. Si misura in g/cm³ o kg/m³. Per confronto, ecco alcune densità note:
- Aria a livello del mare: circa 0,0012 g/cm³
- Legno di balsa: circa 0,16 g/cm³
- Acqua dolce: 1,00 g/cm³
- Acqua di mare: circa 1,025 g/cm³
- Ferro: 7,87 g/cm³
- Oro: 19,3 g/cm³
Quando un corpo entra in un fluido, sposta un volume di fluido pari al proprio. Se il peso del fluido spostato è maggiore del peso del corpo (cioè se il corpo è meno denso), il corpo galleggia. È il principio di Archimede.
Perché Saturno è così poco denso
Saturno è composto per oltre il 96 per cento da idrogeno, con un 3 per cento abbondante di elio e tracce di metano, ammoniaca e acqua. Idrogeno ed elio sono i due elementi più leggeri dell’universo.
A differenza di un pianeta roccioso come la Terra (densità 5,51 g/cm³), Saturno non ha una crosta solida estesa. Ha un nucleo denso di silicati, ferro e ghiaccio metallico di idrogeno, che pesa qualche decina di volte la massa terrestre. Sopra il nucleo, però, si stende uno strato gigantesco di gas e fluidi sempre meno densi, fino all’atmosfera esterna.
Il volume complessivo del pianeta è enorme (Saturno potrebbe contenere oltre 760 volte la Terra), mentre la massa è «solo» 95 volte quella terrestre. La divisione fra massa e volume restituisce quel numero sorprendente, inferiore a uno.
«Galleggerebbe»: un esperimento impossibile
L’affermazione che Saturno galleggi è una semplificazione divulgativa, utile per capire la sua composizione, ma fisicamente irrealizzabile. Servirebbero diverse condizioni inverosimili.
Un oceano abbastanza grande
Un pianeta di 120.000 chilometri di diametro avrebbe bisogno di un contenitore d’acqua almeno altrettanto grande. In tutto il Sistema Solare non esiste un corpo capace di ospitare un’idrosfera del genere.
L’effetto della propria gravità
Saturno è tenuto insieme dalla sua stessa gravità. In assenza dei sostegni gravitazionali interni, non resterebbe «integro» come un solido: si disperderebbe nello spazio circostante.
Le forze di marea
Posato in un fluido di pari volume, Saturno sarebbe sottoposto a forze di marea estreme che lo deformerebbero ben oltre la sua naturale forma oblata.
Cosa significa, allora, dire che «galleggia»?
Significa, sul piano didattico, che Saturno ha un valore di densità così basso da rispettare la condizione matematica per il galleggiamento. È una metafora per comunicare la leggerezza del pianeta: una caratteristica che testimonia la sua composizione prevalentemente gassosa.
Anche in fisica si usano spesso modelli idealizzati. Pensare a un Saturno che fluttua sopra un oceano è il modo più immediato per fissare nella memoria l’idea che la materia non è tutta «pesante» allo stesso modo, e che la nostra intuizione, calibrata su rocce e metalli, non basta per descrivere il cosmo.
Confronto fra i pianeti del Sistema Solare
Per inquadrare il dato saturniano, ecco le densità medie dei principali pianeti:
- Mercurio: 5,43 g/cm³
- Venere: 5,24 g/cm³
- Terra: 5,51 g/cm³
- Marte: 3,93 g/cm³
- Giove: 1,33 g/cm³
- Saturno: 0,69 g/cm³
- Urano: 1,27 g/cm³
- Nettuno: 1,64 g/cm³
Saturno è il caso anomalo. Anche Giove, il più grande, è più denso di Saturno per via della pressione esercitata dalla sua enorme massa, che comprime gli strati interni di idrogeno fino a renderli metallici.
La struttura interna di Saturno
Per capire la sua densità bassa, bisogna immaginare un gigantesco fluido stratificato. Procedendo dall’esterno verso l’interno:
L’atmosfera esterna
Una coltre di idrogeno gassoso, elio, ammoniaca, metano e tracce di vapore acqueo. È qui che si trovano le bande colorate e le tempeste, come la famosa esagono polare che caratterizza il polo nord del pianeta.
Lo strato di idrogeno molecolare
Sotto pressione crescente, l’idrogeno passa allo stato fluido. È un oceano di idrogeno liquido vasto come molti pianeti messi insieme.
L’idrogeno metallico
Quando la pressione raggiunge milioni di atmosfere, l’idrogeno assume proprietà metalliche. È in questa regione che nasce il fortissimo campo magnetico di Saturno.
Il nucleo
Al centro si trova un nucleo di rocce, ghiacci e metalli pesanti, con una temperatura stimata in oltre 11.000 gradi. Recenti misure della missione Cassini della NASA hanno suggerito che il nucleo possa avere un’estensione «diffusa», non nettamente separata dagli strati superiori.
Gli anelli di Saturno e la sua «leggerezza»
Una curiosità che spesso si lega alla bassa densità riguarda gli anelli. Composti per la maggior parte da ghiaccio d’acqua e da piccoli frammenti rocciosi, gli anelli formano un sistema spettacolare ma fragile. Si stima che la loro massa totale sia inferiore a quella della luna Mimas, con un diametro di circa 400 chilometri.
Pur essendo straordinariamente estesi (più di 280.000 chilometri di larghezza), gli anelli sono altrettanto sottili: meno di un chilometro nella maggior parte delle regioni. Aggiungono pochissimo alla massa complessiva del pianeta, ma molto alla sua bellezza.
Curiosità collegate
- Saturno ruota su sé stesso in poco più di 10 ore: è il pianeta più veloce dopo Giove. La sua rapida rotazione lo deforma fino a renderlo visibilmente schiacciato ai poli.
- Una sonda spaziale impiega circa sette anni a raggiungere Saturno con le tecnologie attuali, sfruttando le manovre di gravità assistita.
- Su Saturno «piove» idrogeno liquido, e in alcune regioni dell’atmosfera si formano anche piogge di diamanti, secondo modelli teorici.
Se ti appassionano le curiosità sui pianeti, leggi anche il nostro articolo sulla pioggia di diamanti su Nettuno e Urano: un altro fatto stupefacente che racconta quanto la fisica dei giganti gassosi sia diversa da quella terrestre.
Domande frequenti su Saturno e la sua densità
Saturno galleggia davvero nell’acqua?
In linea teorica sì, perché la sua densità media (0,687 g/cm³) è inferiore a quella dell’acqua (1 g/cm³). Si tratta però di un esperimento mentale impossibile da realizzare.
Perché è così leggero?
Perché è composto soprattutto da idrogeno ed elio, i due elementi più leggeri dell’universo. Ha un nucleo denso, ma circondato da strati enormi di gas e fluidi.
Qual è il pianeta più denso del Sistema Solare?
La Terra, con 5,51 g/cm³, è il pianeta più denso. Mercurio segue da vicino, mentre i giganti gassosi hanno tutti densità basse.
Anche Giove galleggerebbe?
No. Pur essendo composto in gran parte da idrogeno ed elio, la massa enorme di Giove comprime gli strati interni e porta la densità media a 1,33 g/cm³, superiore a quella dell’acqua.
Come si misura la densità di un pianeta?
Si calcola dividendo la massa (ricavata dagli effetti gravitazionali sulle sonde) per il volume (stimato dal diametro misurato con telescopi e radar).
Saturno potrebbe contenere la Terra?
Più volte. Il volume di Saturno è circa 763 volte quello terrestre, anche se la sua massa è «solo» 95 volte maggiore.