La scomparsa dei Dinosauri Collisione della Terra con grandi

La Terra:
caratteristiche di un pianeta abitabile
G. Cutispoto
INAF – Osservatorio Astrofisico di Catania
[email protected]
XXI Scuola Estiva di Astronomia
Stilo - 29 Luglio 2016
Il Sistema Solare
Sole
Pianeti - Mercurio, Venere, Terra, Marte, Giove, Saturno, Urano, Nettuno
Corpi Minori - Pianeti Nani, Satelliti dei pianeti, Asteroidi, Comete
Distribuzione della massa: Sole: 99.85 %
Pianeti: 0.13 %
CM: 0.02%
Distanza dal Sole: Mercurio: 0.39 UA Terra: 1 UA Giove: 5.20 UA
Periodi orbitali: Mercurio = 88 giorni Terra = 1 anno Giove = 11.86 anni
Terra
Le orbite dei pianeti
Venere
Mercurio
Sole
Nettuno
Urano
Saturno
Marte
149.597.870 km = 1 UA
1 UA = 215 ∙ RSole = 23.450 ∙ Rterra
DMercurio = 0.39 UA DGiove = 5.2 UA
Giove
Origine del Sole e del Sistema Solare
Il Sole nasce dalla contrazione di
una Nebulosa (probabilmente causata
dall’esplosione di una “Supernova”)
Formazione del Sole
 inizio: 4.6 miliardi di anni fa
 durata: circa 100.000 anni
Intorno al Sole si formò un
“disco” di materia
Dal disco (in circa 100 milioni
di anni) si formarono i
pianeti e i corpi minori
I pianeti si sono formati per
“accrescimento” dal disco
Le prime fasi di vita del Sistema
Solare sono state caratterizzate
da un gran numero di “urti”
Gran parte dei corpi più piccoli
andavano a cadere su quelli più
grandi
Per i suoi primi 700 milioni di anni la
Terra è stata soggetta a un intensissimo
“bombardamento” da parte di piccoli
corpi che andavano ad accrescere le sue
dimensioni
La Terra
Raggio = 6378 km; Massa = 5.97·1024 kg; Densità = 5.52 g/cm3
Terre emerse: 29 %
Atmosfera:
 Azoto = 77%
 Ossigeno = 21%
 CO2 = 0.04%
 O3 = 0.000004%
Struttura interna e composizione
Litosfera: 0 – 70 km
Mantello esterno: 70 – 400 km
Regione di transizione: 400 – 650 km
Mantello interno: 650 – 2700 km
Regione D: 2700 – 2890 km
Nucleo esterno: 2890 – 5150 km
Nucleo interno: 5150 – 6378 km
Composizione chimica
Fe: 34.6 %
Mg: 12.7 %
O: 29.5 %
Ni: 2.4 %
Si: 15.2 %
S: 1.9 %
Distribuzione della massa
Litosfera: 0.4 %
solida
Mantello: 67.5 %
semi-fluido
Nucleo esterno: 30.5 % semi-fluido
Nucleo interno: 1.6 %
solido
La vita sulla Terra: tempi di evoluzione
- 4.5 miliardi: si forma la Terra
- 4 miliardi: prime rocce solide
- 3.8 miliardi: diminuisce il bombardamento dei meteoriti
- 3.5 miliardi: primi batteri
età del Sole ~ 1.1 miliardi di anni
- 543 milioni (Cambriano): compaiono migliaia di nuove specie, sono gli
antenati degli animali e delle piante che oggi popolano la Terra
- 3.5 milioni: età di Lucy (australopithecus afarensis)
- 150.000: compare in Africa l’Homo Sapiens
(tempi in anni dall’epoca attuale)
La vita sulla Terra:
gli “ingredienti astronomici”
Posizione del Sole nella Galassia
Massa e “stabilità” del Sole
Distanza Terra-Sole: fascia di abitabilità
Attività geologica e vulcanica
Presenza di un campo magnetico
Presenza di un grande satellite
Formazione degli elementi chimici
La vita ha bisogno di “elementi pesanti”, ma il “Big Bang” ha prodotto
solo idrogeno ed elio
Gli altri elementi chimici si formano all’interno delle stelle
Le “Supernovae”: alla fine della loro evoluzione le stelle di grande
massa (M > 8 MSole) esplodono e immettono nello spazio gli elementi
pesanti sintetizzati precedentemente e nel corso dell’esplosione
Inoltre “l’onda d’urto” che viene generata può favorire l’innesco del
collasso delle nubi interstellari dando vita a nuove stelle
Ma le Supernovae emettono anche fasci di particelle di alta energia,
raggi X e raggi g, capaci di distruggere ogni forma di vita nel raggio
di migliaia di anni luce
La posizione del Sole nella Galassia
Localizzazione degli “elementi pesanti”
 Le regioni centrali di una galassia a spirale sono molto ricche di
stelle, quindi di elementi pesanti, ma sono anche “pericolose”
(Supernovae, interazioni tra stelle)
 Le
regioni esterne
sono troppo povere di
elementi pesanti
 Le regioni intermedie
sembrano
offrire
migliori condizioni
le
Il Sole dista circa 30.000
anni luce dal centro della
“Via Lattea”; è la regione
più adatta per l’esistenza
di pianeti abitabili ?
Massa e “stabilità” del Sole
Massa del Sole: 1.99 · 1030 kg
0.08 · MSole < Massa delle stelle < 100 · MSole
Composizione Chimica del Sole:
Idrogeno: 73% Elio: 25% Elementi pesanti: 2%
(r = 1.41 g/cm3)
Nel ‘’nucleo’’ del Sole hanno luogo reazioni
di “fusione nucleare”: l’Idrogeno si
trasforma in Elio
nucleo
Ogni secondo nel nucleo del Sole hanno
luogo 92 · 1036 reazioni p-p, che producono
un’energia pari a circa 3.85 · 1026 J
(equivalente all’energia elettrica che
sarebbe possibile produrre sulla Terra in
circa 4.7 milioni di anni)
Ogni secondo il Sole converte nel nucleo 564.5 · 109 kg di Idrogeno
(pari a 2.83 · 10-19 della sua massa) in 560 · 109 kg di Elio
Per l’evoluzione della vita su un pianeta sembra essenziale che il flusso
di radiazione incidente ( temperatura) sia “costante o lentamente
variabile”, ovvero che la stella attorno a cui orbita sia “stabile”
L
La fase di sequenza principale è la più
lunga della vita di una stella
Il tempo di permanenza di una stella
sulla ‘’MS’’ dipende dalla sua massa

Nel caso del Sole il tempo in ‘’MS’’
vale circa 10 • 109 anni
T
Vale la relazione: TMS  10 · 109 /M2.5 anni (con ‘’M’’ in masse solari)
Le stelle con M > 2.5 · MSole si evolvono troppo rapidamente
Infatti se M = 2.5 · MSole si avrà: TMS  109 anni
E’ la regione entro la
quale un pianeta ha una
temperatura tale da
poter mantenere
l’acqua allo stato
liquido sulla sua
superficie
La composizione
dell’atmosfera
gioca un ruolo
fondamentale
(effetto serra:
da -21 C a +15 C)
Fascia di abitabilità
Venere
Sole
Mercurio
Terra
Marte
Tra circa 5  109 anni
il Sole si evolverà in
“Gigante Rossa”
La temperatura sulla
Terra diventerà
troppo elevata
La fascia di
abitabilità si
sposterà verso le
regioni più esterne
del Sistema Solare,
ma sarà meno
stabile (l’evoluzione
di una gigante è
molto rapida)
Per stelle con
M>2.5∙MSole la fascia
di abitabilità si
sposta dopo circa
109 anni
Venere
Il Sole tra
Sole
5 miliardi
di anni
Mercurio
Terra
Marte
“Tettonica a Zolle”
La litosfera è divisa in
“zolle” che si muovono
(deriva
dei
continenti)
sopra il mantello
La crosta terrestre si rinnova in circa 500·106 anni
tramite “spreading” (due zolle si allontanano) e
“subduction” (due zolle entrano in collisione); senza
questi processi l’erosione spianerebbe le terre emerse
in circa 20 milioni di anni
Lungo le fratture nascono i vulcani, che
riforniscono l’atmosfera di molecole quali la CO2
che risulta fondamentale per il mantenimento
dell’effetto serra
Ruolo del campo magnetico
Il campo magnetico della Terra ha un valore in
superfice compreso tra 0.25 e 0.65 G, l’asse
magnetico è inclinato di circa 10 gradi rispetto
all’asse di rotazione della Terra
Un buon magnete da
frigo ha un campo di
100 G
A dispetto del nome, la magnetosfera
della Terra è fortemente asimmetrica a
causa del vento solare; la parte rivolta
verso il Sole ha dimensioni fino a circa
10 RTerra, mentre la parte opposta è
allungata in una ‘’coda’’ che si estende
fino a oltre 200 RTerra
Il campo magnetico della Terra è in grado di deviare gran parte del
vento solare, proteggendo così la nostra atmosfera
Senza il campo magnetico le particelle cariche del vento solare
distruggerebbero lo stato di Ozono e, più in generale, causerebbero,
come si pensa sia avvenuto su Marte, la perdita quasi completa
dell’atmosfera
La Terra e la Luna
Raggio Terra = 6378 km
Raggio Luna = 1738 km
RTerra = 3.67 · RLuna
MTerra = 81 · MLuna
Terra
Distanza media Terra-Luna = 384.4 ·
103
km = 60.3 · RTerra
Terra/
Luna
Marte/
Phobos
Giove/
Ganimede
Saturno/
Titano
Urano/
Titania
Nettuno/
Tritone
81
62.5 · 106
12820
4170
24390
4760
Luna
Origine della Luna
 Densità della Luna = 3.34 g/cm3
 Densità della Terra = 5.52 g/cm3
 Inclinazione dell’orbita lunare > 5 gradi
La Luna si è formata a seguito dell’impatto della
Terra con Theia, un corpo formatosi in uno dei punti
lagrangiani dell’orbita terrestre
Quando Theia raggiunse una massa simile a quelle di
Marte la sua posizione divenne instabile, le crescenti
oscillazioni finirono per fargli colpire la Terra
Gran parte dei detriti
generati dall’urto furono
espulsi nello spazio; da essi
si formò, in circa 100 anni,
la Luna
Importanza della Luna
La presenza della Luna ha contribuito a stabilizzare l’asse di rotazione
della Terra, uno degli ingredienti più importanti per evitare rapidi
cambiamenti climatici e quindi favorire lo sviluppo della vita
Mercurio: i = 0°
Venere: i = 177°
Terra: i = 23.5°
Marte: i = 25°
La Luna è il corpo che influisce maggiormente sul fenomeno delle
maree, che in alcune zone del globo superano dislivelli di 10 metri
In assenza di maree si ridurrebbero, o non si sarebbero mai formate,
alcune importanti correnti oceaniche, che regolano la formazione delle
nubi e quindi la circolazione atmosferica su scala globale
L’impatto sul clima e sull’evoluzione della vita non sono facilmente
prevedibili, ma sarebbero con molta probabilità significative
Presenza di un pianeta “gigante”
MGiove = 1.899 · 1027 kg = 317.8 · MTerra = 9.5 · 10-4 (= 1/1050) · MSole
MGiove = 1.1 · 10-2 (= 1/84) · Msmallest_star = 7.9 · 10-2 (= 1/13) · Msmallest_BD
DSole-Giove = 778.5 · 106 km = 5.2 UA (e = 0.049)
RGiove = 10.86 · RTerra = 1/10 · RSole
Gli Asteroidi (o “Pianetini”)
Orbitano principalmente tra
Marte e Giove (fascia degli
Asteroidi, 2.1-3.3 UA)
Il più grande è Cerere
(diametro = 933 km) scoperto
nel 1801
La loro massa totale è di circa
1/1000 la massa della Terra
Fascia degli
Asteroidi
Orbita di Giove
Orbita di Marte
Orbita della Terra
Quelli classificati sono oltre
750.000; solo 26 hanno un
diametro maggiore di 200 km,
ma si stima che ne esistano
oltre un milione con diametro
maggiore di 1 km
NEA e PHA
I NEA hanno orbite con
distanza minima dal Sole
(perielio) minore di 1.3 UA,
quindi possono avvicinarsi
notevolmente alla Terra
Quelli che si avvicinano a
meno di 0.05 UA dalla
Terra sono detti PHA
Terra
NEA
PHA
Marzo 2000
La sonda NEAR
orbita intorno a EROS
Mathilde
Gaspra
59x47 km
19x12x11 km
Ida
58x23 km
Eros
33x13x13 km
Le “fasce” di Asteroidi
Fascia degli Asteroidi
Plutone
Nettuno
Urano
Cerere
Saturno
Giove
·
Sole
Terra
Marte
La Fascia di Kuiper (30-50
UA) potrebbe contenere
100.000 corpi con diametro
maggiore di 100 km e avere
una massa totale dell’ordine
di 1/10 MTerra
Giove
Fascia di Kuiper
Le Comete
Hyakutake (1996)
West (1976)
Conosciute ~ 5300
Periodiche ~ 480 (P < 200 anni)
Origine:
Fascia di Kuiper (breve periodo)
Nube di Oort (lungo periodo)
Swift-Tuttle (1992)
NComete ~ 1012; MComete ~ MGiove
“67 P / Churyumov-Gerasimenko ”
3 km
Afelio: 5,68 UA
Perielio: 1,24 UA
Periodo: 6,45 anni
Rotazione: 12,7 h
Dimensioni: 3,5 x 4 km
3 Agosto 2014
Foto ottenuta da 285 km di distanza dalla sonda “Rosetta”
Crateri da impatto
Luna
(faccia “nascosta”)
Mimas
Mercurio
Ganimede
Il “ruolo” di Giove
Giove “protegge” la parte
interna
del
Sistema
Solare
16 – 20 Luglio 1994
20 impatti (Dmax = 2 km)
v = 60 km/s
Giove e la cometa
Shoemaker-Levy
La Terra, gli Asteroidi e le Comete
La Terra è soggetta a un continuo “bombardamento” da parte di
“piccoli” corpi del Sistema Solare (40.000 ton/anno)
x 100
x 1/3
Una frazione del tutto
trascurabile (6.7  10-18) della
massa della Terra
La Terra, gli Asteroidi e le Comete
La Terra è soggetta a un continuo “bombardamento” da parte di
“piccoli” corpi del Sistema Solare (40.000 ton/anno)
Dimensioni
Frequenza
Effetti
1 cm
2 cm
10 / h
1 / h
meteore
4 m
10 m
10 / anno
1 / anno
meteoriti
9 Ottobre 1992
massa iniziale del
meteorite ~ 12 ton
si disintegrano nell’atmosfera
possono raggiungere la superficie
Meteor Crater
Diametro = 1186 m
Profondità = 200 m
Diametro del meteorite = 25-30 m
Età = circa 49.000 anni
Velocità di impatto ~ 13 km/s
Wolf Creek (Australia)
età ~ 300.000 anni Diametro = 850m
Attualmente sono oltre 170 i crateri da impatto identificati
Tunguska - 30 Giugno 1908
Asteroide (o Cometa), con un diametro
di circa 60 m, esploso a 6 km dal suolo
La distruzione fu totale in un raggio di
circa 30 km
Il boato generato dall’esplosione fu
avvertito fino a Londra (20.000 km)
P = 1/1.000 anni
Dimensioni
Frequenza
Effetti
100 m
1 km
10 km
1 / 10.000 anni
1 / 1.000.000 anni
1 / 50.000.000 anni
distruzioni su scala “locale”
distruzioni su scala “planetaria”
estinzioni di massa
Le estinzioni di massa
Sono eventi improvvisi che comportano una notevole riduzione delle
specie viventi
 Hanno luogo su tutto il pianeta
 Coinvolgono un gran numero di specie anche molto diverse tra loro
 Avvengono in un lasso di tempo “breve”
Ne sono state identificate almeno 5;
si pensa che sono state causate da
grandi catastrofi naturali o da
notevoli e rapidi cambiamenti climatici
Tardo Ordoviciano (-438)
Tardo Devoniano (-360)
Fine Permiano (-245)
Tardo Triassico (-208)
Fine Cretaceo (-65)
L’estinzione dei Dinosauri
I dinosauri si sono estinti alla fine del Cretaceo e insieme con essi
scomparvero circa il 65% di tutte le specie animali e vegetali presenti
sulla Terra (in particolare tutte le forme di vita non acquatiche di peso
superiore ai 30 kg)
Questa estinzione di massa (estinzione K-T) segnò il passaggio
dall’era dei rettili a quella dei mammiferi
Da cosa è stata causata ?
Teorie proposte:
 Effetto serra (eruzioni vulcaniche)
 Cambiamenti climatici (variazione dell’orbita della Terra)
 Teoria “dell’impatto”
Non tutti i mali vengono per nuocere…
La scomparsa di terribili predatori quali erano i grandi dinosauri,
che avevano dominato il pianeta per 135 milioni di anni, provocò una
svolta nell’evoluzione della vita sulla Terra
I mammiferi, comparsi sulla Terra prima dei dinosauri, ma rimasti
in una ‘’nicchia evolutiva’’, accelerarono il loro sviluppo e
diventarono in breve la specie dominante
Probabilmente senza l’estinzione dei dinosauri i grandi mammiferi,
e tra di essi la razza umana, non sarebbero stati in grado di
svilupparsi (almeno nei tempi che conosciamo)
NEAT
(Near-Earth Asteroid Tracking system)
Collaborazione internazionale per l’identificazione e lo studio dei ‘’Near
Earth Asteroids’’ (NEA) e in particolare dei “Potentially Hazardous
Asteroids” (PHA), corpi più grandi di 150 m che possono avvicinarsi alla
Terra a meno di 7.480.000 km (= 0.05 UA)
Fino ad oggi sono stati scoperti 14495 NEA, di questi 873 hanno un
diametro maggiore di 1 km
I PHA attualmente conosciuti sono 1710, di questi 158 hanno un
diametro maggiore di 1 km
Il più “pericoloso” è Apophis (D ~ 390 m), che potrebbe colpire la
Terra nel 2036 (molto più probabilmente sarà deviato nel prossimo
passaggio in prossimità della Terra, 36350 km, del 13 Aprile 2029)
http://neo.jpl.nasa.gov/neo/
E’ molto difficile identificare NEA con diametro minore di 50 m
Si pensa ne esistano almeno 50.000
Il meteorite di Chelyabinsk
Alla categoria degli ‘’imprevedibili’’
apparteneva il corpo esploso in
atmosfera nei pressi della città
russa di Chelyabinsk la mattina del
15 Febbraio 2013
Il più importante evento registrato
dopo quello di Tunguska del 1908
L’asteroide aveva un diametro di 17 m e un peso di 10000 tonnellate; la
sua velocità di ingresso in atmosfera è stata stimata in 25000 km/h ed
è esploso a 25 km di altezza
L’energia rilasciata: 470 kT (~ 30 Hiroshima ~ 1/11 Tunguska)
E’ abbastanza singolare che questo l’evento si sia verificato lo stesso
giorno in cui l’asteroide 2012 DA14, un corpo con diametro di 55 m, è
passato a 28.600 km di altezza dalla superfice terrestre
2012 DA 14
2012 DA14 è stato scoperto il 23 febbraio 2012
Ha un diametro di 55 metri e una massa di circa 1.3 ∙ 108 kg
Il suo periodo orbitale è di 314 g
Il 15 Febbraio 2013 è passato a soli 28.600 km dalla superfice
terrestre (ben al di sotto della fascia dei satelliti geostazionari)
Asteroide
Data
Distanza (LD)
Diametro
2002 KL 6
22 Luglio
26.6
1.4 km
2011 BX 18
25 Luglio
52.7
1.1 km
2016 NX 22
2 Agosto
19.9
86 m
2005 OH 3
3 Agosto
5.8
28 m
2000 DP 107
12 Agosto
66.5
1.0 km
2004 BO 41
7 Settembre
38.9
1.1 km
1 LD = 384.400 km
http://spaceweather.com/
Alla ricerca di un’altra Terra
Che la vita si sia sviluppata su altri pianeti è un’idea che ha profonde
radici nel pensiero scientifico e filosofico
Le prime intuizioni sulla “pluralità dei
mondi”, e sulla possibilità di forme di vita
su altre “terre”, risalgono almeno alla
civiltà ellenistica (Aristarco, Democrito,
Epicuro)
Giordano Bruno affermò (1584): “Esistono
innumerevoli soli e innumerevoli terre in
orbita intorno ai loro soli”
1995: scoperta del primo pianeta exstrasolare (51 Pegasi b)
Luglio 2016: 3487 pianeti extrasolari noti (Mminima < MTerra)
Quanto è ‘’unico’’ l’insieme di caratteristiche e di processi che esistono
e/o si sono sviluppati sulla Terra ?
Cosa stiamo cercando ?
Fasce di abitabilità “non convenzionali”
Marte
Venere
Europa
Encelado
Alcuni interrogativi sulla vita…
Sappiamo ‘’veramente’’ cos’è la vita ?
Conosciamo o potremo mai prevedere ‘’tutte’’ le condizioni
dove può svilupparsi la vita ?
Se le condizioni sono del tutto ‘’favorevoli’’, la vita si
sviluppa sempre e fino a che ‘’livello’’ ?
Grazie per la vostra attenzione