SCIENZE DELLA TERRA - Il Sistema Solare

IL SISTEMA SOLARE è un insieme di corpi celesti accomunati dalla stessa origine ed il cui
movimento è governato dalla forza gravitazionale del Sole.
Attorno al Sole ruotano 8 pianeti, divisi in due categorie:
• i quattro più vicini, e più piccoli, (Mercurio, Venere, Terra, Marte) sono detti pianeti di tipo
terrestre;
• i quattro più lontani, e più grandi, (Giove, Saturno, Urano, Nettuno) sono detti pianeti di
tipo gioviano.
Vi sono poi almeno 63 satelliti principali che ruotano attorno ai pianeti e altri corpi minori che
ruotano attorno al Sole, classificati come asteroidi, meteore, meteoriti e comete.
IL SOLE
Il Sole è costituito principalmente di idrogeno ed elio: questi elementi all'interno del Sole sono
presenti in quantità pressoché uguali e allo stato di plasma (nuclei atomici ed elettroni liberi),
mentre gli elementi più pesanti rappresentano il 2% della massa; gli strati più esterni del Sole sono
invece costituiti per circa 2/3 da idrogeno e 1/3 da elio, mentre gli elementi più pesanti
costituiscono meno dell'1%. La presenza di elementi più pesanti dell'elio (sebbene in modestissime
quantità), che possono formarsi a temperature ben più elevate di quella solare, hanno fatto capire
che la materia di cui è costituito il Sole proviene dall'esplosione di stelle più grandi.
L'interno del Sole è costituito da un nucleo, una zona radiativa e una zona convettiva.
• Il nucleo è la zona in cui avviene la produzione dell'energia, tramite le reazioni di fusione
nucleare1 che, attraverso la fusione di nuclei di idrogeno produce nuclei di elio ed energia. Il
nucleo è tenuto stabile dalla forza di gravità: difatti solo l'enorme pressione gravitazionale
dei materiali sovrastanti il nucleo riesce a bilanciare la violenza delle reazioni nucleari. La
temperatura del nucleo, che deve innescare le reazioni di fusione nucleare, è prossima ai 15
milioni di kelvin.
• La zona radiativa è costituita da atomi di gas che assorbono l'energia prodotta dalla fusione
(sotto forma di raggi γ) e la rilasciano sotto forma di radiazioni a frequenza minore. Poiché
la temperatura è minore rispetto a quella del nucleo, non avvengono reazioni nucleari.
• Nella zona convettiva, infine, il trasporto dell'energia avviene per convezione, ossia
attraverso spostamenti di materia innescati dalle differenze di temperatura.
La superficie del Sole è essenzialmente costituita dalla fotosfera, lo strato che irradia quasi tutta la
luce solare e che corrisponde quindi alla superficie visibile della nostra stella. Essa presenta una
marcata granulazione, formata dall'affiorare di bolle gigantesche di gas che corrispondono alla
parte superficiale dei movimenti convettivi della zona sottostante. Inoltre la superficie solare appare
ricoperta di macchie solari, che sono zone relativamente più fredde della fotosfera (circa 4300K
rispetto ai circa 5800K medi della superficie solare) che ci appaiono quindi più scure. Queste
macchie appaiono generalmente in gruppi, della quale si è studiata una certa regolarità
dell'evoluzione, che dura circa una settimana. Il numero delle macchie solari, inoltre, passa
ciclicamente da un minimo ad un massimo nel giro di circa 11 anni. Le macchie solari sembrano
inoltre fungere da “indicatori” per l'intensità delle attività solari.
IL MOVIMENTO DEI PIANETI
Il movimento dei pianeti attorno al Sole è regolato dalle tre leggi di Keplero:
1. i pianeti descrivono orbite ellittiche, aventi un fuoco comune occupato dal Sole;
2. il raggio che unisce il centro del pianeta al centro del Sole percorre aree uguali in tempi
uguali (per cui un pianeta si muove più velocemente in perielio, il punto più vicino al Sole, e
più lentamente in afelio, il punto più lontano dal Sole);
3. I quadrati dei tempi che i pianeti impiegano a percorrere le loro orbite sono proporzionali ai
cubi delle loro distanze medie dal Sole (T 2/a3=cost, dove “T” è il tempo impiegato a
descrivere l'orbita e “a” la distanza media dal Sole)
1 La fusione nucleare può mettersi in moto quando la forza di interazione forte prevale su quella di repulsione
elettromagnetica e i nuclei dei due atomi possano fondersi fra loro creando il nucleo di un atomo più pesante e
(spesso) uno o più neutroni liberi. Nel nucleo solare avviene la fusione fra un nucleo di deuterio ed uno di trizio, con
la produzione di un nucleo di elio e la liberazione di un neutrone libero e di energia sotto forma di raggi γ.
Tali leggi possono tutte essere spiegate alla luce della forza di gravitazione universale, scoperta da
Newton: due corpi si attirano in modo direttamente proporzionale alla loro massa e inversamente
proporzionale al quadrato della loro distanza (F=G0(M·m)/d2 dove “G0” è la costante di gravitazione
universale, pari a 6,67·10-11Nm2kg-2; “M” e “m” le masse dei corpi e “d” la loro distanza).
FAMIGLIE DI PIANETI
Le due diverse famiglie di pianeti si distinguono essenzialmente per cinque aspetti:
1. dimensioni: i pianeti di tipo gioviano sono molto più grandi dei pianeti di tipo terrestre;
2. densità: i pianeti di tipo terrestre sono molto più densi di quelli di tipo gioviano;
3. natura dei materiali costituenti: i pianeti terrestri sono composti principalmente di rocce e
metalli, mentre quelli gioviani sono formati essenzialmente da gas (idrogeno ed elio) e
ghiacci (metano e ammoniaca);
4. atmosfera: i pianeti terrestri sono privi di atmosfera o hanno atmosfere molto sottili, mentre
quelli gioviani hanno atmosfere molto dense e spesse (difatti la loro grande massa trattiene
più facilmente le molecole di gas e le loro basse temperature non permettono nemmeno
l'agitazione termica dei gas stessi)
5. numero di satelliti: i pianeti terrestri non hanno satelliti o ne hanno pochissimi, i pianeti
gioviani hanno numerosi satelliti, oltre ad altre strutture come gli “anelli”.
I PIANETI DI TIPO TERRESTRE
• Mercurio
Mercurio ruota intorno al Sole in 88 giorni, mentre ruota sul proprio asse in circa 59 giorni: ogni
punto della sua superficie alterna un periodo di circa 88 giorni di illuminazione con un periodo
altrettanto lungo di buio; questo causa una fortissima escursione termica (lato illuminato: 425°C –
lato al buio: -175°C). Questo pianeta è praticamente privo di atmosfera, la sua crosta presenta zone
dominate dai crateri da impatto (dovuti alla caduta di meteoriti) e altre da pianure lisce (originate da
vaste colate laviche). Entrambe le tipologie di eventi che hanno originato queste strutture
morfologiche si sono originate in tempi antichissimi, e Mercurio è un corpo ormai “stabile” da
almeno 2 miliardi di anni. Mercurio ha un nucleo metallico molto ampio e un mantello di esiguo
spessore: si pensa perciò che l'impatto con un grosso meteorite abbia strappato al pianeta gran parte
del suo involucro esterno. È stato esplorato a metà degli anni '70 dalla sonda Mariner 10.
• Venere
Venere è il pianeta strutturalmente forse più simile alla Terra, tuttavia è molto più caldo
(temperatura media di 460°C) e perciò non vi è traccia alcuna di acqua allo stato liquido (vi sono
piccole tracce di vapore acqueo nell'atmosfera). L'atmosfera di Venere è formata per il 97% da
anidride carbonica e forma un effetto serra (le radiazioni emesse dal Sole entrano con facilità, ma
difficilmente quelle riflesse riescono ad uscire) a cui si devono le alte temperature. L'anidride
carbonica è prodotta dall'intensa attività vulcanica e non riesce ad essere smaltita per la mancanza di
acqua allo stato liquido (e la conseguente mancanza di materia organica), che la discioglie. Le
strutture geologiche principali sono le pianure ondulate, ampie depressioni ed altipiani e la crosta è
formata principalmente da rocce simili al basalto (la roccia più comune sulla superficie terrestre). Il
pianeta è stato esplorato prima dalla sonda Mariner 10, poi dalle sonde Venera 9 e 10.
• Terra
La Terra possiede un'atmosfera molto meno densa di quella di Venere, costituita principalmente di
azoto e ossigeno. La temperatura media permette la persistenza dell'acqua anche allo stato liquido:
l'acqua ricopre circa il 75% della superficie terrestre, mentre il 25% circa è costituito dalle aree
continentali.
• Marte
Marte ha un tempo di rotazione quasi uguale a quello terrestre, così come l'inclinazione dell'asse
terrestre: per cui si ha un'alternanza delle stagioni simili alla nostra; tuttavia, essendo il tempo di
rivoluzione maggiore, esse sono più fresche e durano quasi il doppio. Intorno a Marte ruotano due
satelliti, Phobos e Deimos. Marte presenta un'atmosfera molto rarefatta e costituita per il 95% da
anidride carbonica: ciò, assieme alle basse temperature, esclude la presenza di un'idrosfera; tuttavia
sulla superficie di Marte sono presenti tracce di una diffusa e lunga permanenza dell'acqua
(principalmente canali del tutto simili a quelli fluviali), ormai estinta. L'acqua tuttavia potrebbe
essere ancora presente come ghiaccio all'interno del permafrost. La superficie di Marte è
assimilabile a quello dei deserti rocciosi terrestri e in essa sono presenti enormi canyon e
giganteschi vulcani (fra cui il Mons Olympus, il più grande vulcano del Sistema Solare), tutti spenti.
I PIANETI DI TIPO GIOVIANO
• Giove
Giove è il pianeta più grande del Sistema Solare (la sua massa è pari al doppio di quella di tutti gli
altri pianeti messi assieme) e presenta una forma fortemente schiacciata ai poli a causa dell'elevata
velocità di rotazione. È costituito principalmente da idrogeno ed elio (il che fa pensare che possa
essere una sorta di “stella mancata”, perché necessitava di una massa maggiore).
Giove presenta un'atmosfera molto spessa, circa 1000 km, in cui il calore solare e quello liberato
dall'interno del pianeta innescano grandi moti convettivi con formazioni di nubi di ammoniaca; per
l'alta velocità di rotazione queste nubi vanno a formare delle lunghe fasce parallele all'equatore,
chiare nel caso di gas che risalgono, scure nel caso di gas che riscendono. Queste fasce sono
interrotte da grandi macchie, ossia grandi perturbazioni cicloniche (la maggiore è la Grande
macchia rossa). Sotto l'imponente pressione di questa spessa atmosfera, l'idrogeno che costituisce la
superficie di Giove deve passare allo stato liquido (la superficie di Giove è costituita perciò da un
gigantesco oceano di idrogeno liquido). A profondità ancora maggiori (nel nucleo) la pressione
aumenta tanto da far passare l'idrogeno allo stato metallico.
Attorno a Giove ruotano almeno 16 satelliti (oltre a dei sottili anelli); i quattro più grandi (Io,
Europa, Ganimede e Callisto) furono scoperti da Galileo e sono detti perciò galileiani. Io è
caratterizzato da un'intensa attività vulcanica che fa sì che la sua superficie sia in perenne
mutamento; Europa e Ganimede invece sono ricoperti da una spessa superficie di ghiaccio al di
sotto della quale vi è presenza di acqua liquida; Callisto invece presenta numerosissimi crateri da
impatto (come Mercurio o la Luna) ma la superficie è ricoperta da detriti rocciosi polverosi e
ghiaccio.
Ad esplorare Giove e i suoi satelliti furono prima le sonde Voyager 1 e 2 e poi la sonda Galileo.
• Saturno
La struttura globale di Saturno è molto simile a quella di Giove. L'aspetto più peculiare di Saturno è
invece quello degli anelli: queste strutture spesse solo qualche decina di metri, ma larghi circa
200000 km, sono costituite da frammenti di ghiaccio e polvere, ciascuno in rotazione attorno al
pianeta secondo la propria orbita. La loro origine è probabilmente dovuta alla disintegrazione di un
satellite o ad un non terminato tentativo di aggregazione di parte della stessa materia di cui è
formato il pianeta. Saturno ha 18 satelliti: il maggiore è Titano, ricoperto da un'atmosfera arancione
costituita principalmente da azoto e la cui superficie presenta laghi di metano liquido. Saturno e
alcuni suoi satelliti sono stati esplorati prima dalle sonde Voyager e poi dalle sonde Cassini e
Huygens.
• Urano
La particolarità di Urano è il fatto che il suo asse di rotazione è praticamente giacente sul piano
dell'orbita, anziché essere pressoché perpendicolare ad esso. Ciò fa sì che Urano mostri al Sole
alternativamente uno dei suoi due poli, che passano (durando la rivoluzione circa 84 anni)
alternativamente da un dì lungo 40 anni ad un altrettanto lunga notte. L'atmosfera di Urano è
costituito da idrogeno, elio e metano (che le da una colorazione azzurra) ed è molto freddo. La
superficie è costituita da un profondo oceano di idrogeno, elio e metano allo stato liquido che
ricoprono un nucleo roccioso. Intorno a Urano ruotano 10 sottili anelli e 17 satelliti. Fu scoperto
casualmente nel 1781 ed esplorato dalla sonda Voyager 2.
• Nettuno
Il pianeta venne scoperto nel 1841 grazie a dei calcoli effettuati per spiegare alcune perturbazioni
nell'orbita di Urano. L'atmosfera di Nettuno, di colore verde-azzura, è costituita da idrogeno e
metano ed è sede di forti correnti convettive: esse non possono essere generate dall'energia solare (il
Sole è troppo lontano) ma devono essere generate dal calore liberato dal nucleo, probabilmente
ancora in gran parte liquido. La superficie è costituita da un profondo oceano di metano liquido, con
presenza di altri gas allo stato liquido. Attorno a Nettuno ruotano 3 anelli e 8 satelliti: il maggiore di
essi, Tritone, ha un movimento retrogrado.
I CORPI MINORI
• Asteroidi
Sono corpi, di dimensioni medie di decine di chilometri, costituiti dallo stesso materiale da cui si è
formato il Sistema Solare. Essi si trovano:
◦ in gran parte tra le orbite di Marte e Giove, dove costituiscono la fascia degli asteroidi.
Fra di essi il maggiore è Cerere (ampio 935 km). La loro superficie è segnata da
numerosi crateri da impatto;
◦ un migliaio circa ruota stabilmente attorno all'orbita di Giove;
◦ altri ruotano su orbite molto allungate, che giungono oltre a quella di Nettuno. Fra questi
corpi “trans-nettuniani” è catalogato ora anche Plutone (prima considerato un pianeta:
è un corpo più piccolo della Luna costituito da polveri e metano e ammoniaca congelati).
L'ipotesi più accreditata sull'origine degli asteroidi è che essi si siano formati per aggregazione di
corpi più piccoli, ma che tale aggregazione sia stata interrotta per qualche meccanismo legato a
perturbazioni gravitazionali dovute alla massa di Giove. Se così fosse, il materiale costituente degli
asteroidi è ciò che di più simile ci sia al materiale originario del Sistema Solare.
• Meteore e meteoriti
Sono corpi costituiti da frammenti di materiale in orbita intorno al Sole troppo piccoli per essere
definiti asteroidi o comete. Quando questi corpi si avvicinano all'orbita terrestre, essi possono essere
attratti dal nostro pianeta e attraversarne l'atmosfera:
◦ se il corpo è molto piccolo l'attrito con l'atmosfera lo rende incandescente e lo fa
evaporare, fino a disintegrarsi completamente. Il corpo da origine a una scia luminosa
detta meteora. In alcuni periodi dell'anno (es. a San Lorenzo) si formano degli sciami di
meteore, in quanto la Terra attraversa il pulviscolo disseminato dall'orbita di una
cometa;
◦ corpi più grandi invece non vengono bruciati del tutto dall'attrito e cadono sulla
superficie terrestre (anche in minima parte, come polveri: è il caso delle
micrometeoriti): esse sono dette meteoriti. Le maggiori nell'urto producono i crateri da
impatto, che possono arrivare ad avere diametri di vari chilometri. Le tracce dei crateri
da impatto sul nostro pianeta sono perlopiù cancellati dall'intensa attività geologica. I
meteoriti si dividono in lititi (rocciosi), sideriti (metallici) e sideroliti (misti). Alle lititi
appartengono le condriti, che contengono piccolissime sfere resinose del materiale
originale del Sistema Solare.
• Comete
Le comete sono costituite da gas e vapori congelati misti a piccoli frammenti rocciosi o metallici e
si muovono lungo orbite molto allungate; quando si avvicinano al sole i gas congelati sublimano:
attorno al nucleo si forma perciò un alone luminoso, detto chioma, e si sviluppa successivamente la
coda, lunga milioni di km in direzione opposta a quella del Sole, formata dal pulviscolo spinto dalle
radiazioni solari. Ad ogni passaggio vicino al Sole, perciò, la cometa perde parte della sua massa,
fino ad estinguersi del tutto.
Le comete a lungo periodo (la cui orbita viene percorsa cioè in più di 200 anni) formano la
cosiddetta nube di Oort, che circonderebbe per uno spazio di 15000 miliardi di km il Sistema
Solare. All'interno di questa nube è possibile individuare la fascia di Kuiper, costituita dalle comete
a breve periodo, che è assimilabile ad un'estensione del Sistema Solare in quanto le comete che la
formano ruotano sullo stesso piano delle orbite dei pianeti.
L'ipotesi più accreditata sull'origine delle comete vuole che i nuclei di questi corpi si siano formati
nella regione dei pianeti giganti e solo in seguito sarebbero stati scagliati lontano. Inoltre, si pensa
che la Terra abbia originariamente ricevuto gran parte dell'acqua superficiale proprio grazie alla
collisione delle comete.