24 Luglio 2012
XVII scuola estiva di Astronomia di Stilo
Scienza e Profezia: un programma da fine del Mondo
“L’evoluzione del Sistema solare e la fine della Terra”
Bedogni Roberto
INAF Osservatorio Astronomico di Bologna
http://www.bo.astro.it/bedogni
email: [email protected]
Alcuni elementi di astronomia
Distanze nel Sistema solare
La distanza unitaria tramite la quale si misurano le
distanza dei pianeti nel Sistema solare è
l’unità astronomica (U.A.)
cioè la distanza media Terra - Sole = 149.597.870 km
Distanze l’ anno luce (a.l.)
Terra
Un’altra tipica unità di misura, ma
soprattutto per le distanze stellari è
l’ anno luce :
lo spazio percorso dalla luce in un anno
pari a circa
~9.560.800.000.000 chilometri
Utilizzando questa unità di misura la
distanza Terra-Sole risulta solo 8,32
minuti luce
Distanze l’ anno luce (a.l.)
Nel caso di Plutone uno dei corpi celesti
più lontani del Sistema solare la distanza
pari a 39,5 U.A. diventa rilevante in
quanto misurabile già in ore luce
~5.906.000.000 km 5, 3 ore
Plutone
Il Sistema solare
Sole
Pianeti giganti gassosi
Giove
Saturno
Pianeti rocciosi
di tipo terrestre
Mercurio
Venere
Terra
Marte
Urano
Nettuno
Asteroidi
Sole
Cerere
TNOs
(es Eris,
Sedna)
La fascia degli asteroidi
Rocce con dimensioni da pochi metri a alcune centinaia di km
Plutone e la fascia di
Kuiper
Comete
Cometa Hyakutake
Cometa West
Cometa Hale-Bopp
Cometa Temple I
Tutto il Sistema solare dai pianeti
alle comete (nube di Oort)
Fascia di Kuiper
100 U.A.
10000 U.A. ~ 0,5 anni luce
La fascia esterna di Kuiper del Sistema solare
L’immagine del
Sistema solare si è
profondamente
evoluta nell’ultimo
decennio del XX
secolo. Plutone non è
più l’unico tra i corpi
celesti più distanti del
Sistema solare: un
gran numero di corpi
ghiacciati sono stati
recentemente
scoperti ai confini del
Sistema solare.
Sistema
solare
interno
Sistema
solare
esterno in
scala
Migrazioni planetarie
Sommario dei dati del Sistema solare
----
D (UA)
R/Rt
M/Mt
Prot/Pt
I
e
ρ
(g/cm3)
Lune
Sole
0
109
332 800
25-36
---
---
1,410
9
Mercurio
0,39
0,38
0,05
58,8
7
0,2056
5,43
0
Venere
0,72
0,95
0,89
244
3,394
0,0068
5,25
0
Terra
1
1
1
1
0,000
0,0167
5,52
1
Marte
1,5
0,53
0,11
1,029
1,850
0,0934
3,95
2
Giove
5,2
11
318
0,411
1,308
0,0483
1,33
63
Saturno
9,5
9
95
0,428
2,488
0,0560
0,69
50
Urano
19,2
4
15
0,748
0,774
0,0461
1,29
27
Nettuno
30,1
4
17
0,802
1,774
0,0097
1,64
13
Plutone
39,5
0,18
0,002
0,267
17,15
0,2482
2,03
3
D = distanza in Unità Astronomiche
P = periodo di rotazione in unità terrestri
R= raggio in unità di raggio terrestre
I = inclinazione dell’orbita
M = massa in unità di massa terrestre
e = eccentricità dell’orbita
ρ= densità
Formazione dei pianeti-introduzione
Causa il vento solare viene persa, nello spazio interplanetario, una
massa corrispondente a 1800 masse terrestri
Nella parte più interna del disco rimane solo il materiale più pesante: i
planetesimi. Questi tendono a fondersi per formare i pianeti interni in
qualche milione di anni
Nella parte più esterna rimane prevalente il gas sulle polveri e si
formano i pianeti esterni.
Il materiale che ha formato la Terra ha un’abbondanza pari a solo lo 0,4
% della massa originale.
La formazione del Sistema solare
fatti e problemi a cui deve rendere conto una “buona”
teoria di formazione planetaria
1. Le orbite dei pianeti
2. La rotazione dei pianeti attorno al proprio
asse
3. La composizione dei pianeti (e del Sole)
4. L’ età del Sistema solare
5. La durata del processo di formazione
6. Il problema del momento angolare
Le orbite dei pianeti
Le orbite dei pianeti sono prossime al piano dell’eclittica
cioè al piano orbitale terrestre ed il Sole è il loro centro (con inclinazione media ~
1,75 º )
Sono praticamente circolari (con eccentricità media ~ 0,04)
Anomalie di Mercurio (e ~ 0,2) e Plutone (non è un pianeta)
I pianeti ruotano tutti nello stesso senso (diretto) attorno al Sole
La rotazione dei pianeti attorno al proprio asse
I pianeti ruotano attorno al proprio asse in senso diretto (da Ovest ad Est)
esclusi Venere, Urano e Plutone
La rotazione dei pianeti attorno al proprio asse
Il caso di Urano
Urano a differenza di tutti gli altri pianeti non “ ruota” attorno al Sole ma “rotola” !
La composizione dei pianeti interni
I pianeti interni più vicini al Sole (quelli "Terrestri") presentano una
struttura "rocciosa“. Mercurio, Venere, Terra e Marte sono costituiti
infatti da un nucleo metallico circondato da uno strato di silicati.
Nel passato tutti e quattro furono modificati dall'attività vulcanica.
Oggi solo la Terra è geologicamente attiva anche se i gas prodotti
dai vulcani formarono le atmosfere di Venere e di Marte.
La composizione dei pianeti esterni
I quattro pianeti esterni (Giove, Saturno, Urano e Nettuno) contengono il 99
% del materiale del Sistema solare escluso il Sole. Sono degli sferoidi di gas di
idrogeno ed elio con miscugli di metano, ammoniaca, ed acqua. Il gas di
idrogeno nell'interno di Giove e Saturno condensò in idrogeno liquido alle
maggiori profondità.
Tutti e quattro hanno, probabilmente, un nucleo costituito da metalli, silicati
ed acqua.
Tre dei pianeti esterni irradiano più calore di quanto ne ricevano dal Sole.
Curiosamente solo Urano non presenta questo eccesso di calore
Rotazione dei pianeti
Rotazione dei pianeti-Giove
Struttura interna dei pianeti
La nascita del Sole e del Sistema solare
ovvero
l’inizio della fine …
Cronologia
La sequenza di formazione del Sistema solare
Una doppia astronave chiamata
Terra-Luna
Il sistema Terra-Luna
Il Sistema Terra-Luna è peculiare: in genere il rapporto
massa
satellite/massa pianeta è molto piccolo
Ganimede / Giove
= 0,00008 = 8 x 10-5
Titano / Saturno
= 0,00020 = 2 x 10-4
Titania / Urano
= 0,00004 = 4 x 10-5
Tritone / Nettuno
= 0,0004 = 2 x 10-4
Luna / Terra
= 0,01
Caronte / Plutone
= 0,115
Quindi la Luna, per essere un satellite, è un corpo celeste “molto pesante”.
La Luna e la Terra un pianeta doppio
Diametro della Terra = 12756 km
Diametro della Luna = 3476 km
Il diametro della Terra
è
3,67
volte
il
diametro della Luna
Luna
Terra
Distanza media Terra-Luna = 384000 km = 30,1 volte il diametro della Terra
Il modello dell’Impatto Gigante
L’Impatto Gigante
Che
ha che
lasciato
in eredità
al nostro era
pianeta
Se ilcosa
corpo
ha colpito
la prototerra
delle?
dimensioni e della composizione di Ganimede
Accoppiamento orbitale Terra-Luna
L’accoppiamento orbitale Terra-Luna tramite l’effetto mareale produce la
riduzione della velocità di rotazione di 17 microsecondi all’anno e quindi
l’allontanamento della Luna dalla Terra di 38 mm all’anno
La condizione di stabilità sarà raggiunta quando Terra e Luna ruoteranno
l’una attorno all’altra con lo stesso periodo di rotazione di circa 47 giorni
Estinzione dei dinosauri
Estinzione dei dinosauri-lo strato K-T (Cretaceo-Terziario)
Un esempio di impatto
CHIXULUB IMPACT
Distanza dal punto di impatto Impact: 1000.00 meters
Diametro Asteroide: 12.00 km
Densità asteroide: 3000 kg/m3
Velocità impatto: 30.00 km/sec
Angolo impatto: 90 gradi
Densità del bersaglio: 1000 kg/m3 (acqua)
ENERGIA
Energia prima di entrare in atmosfera: 1.22 x 1024 Joules = 2.92 x 108 MegaTons TNT
probabilità dell’impatto 1 ogni 3.6 x 108years
EFFETTI DELL’IMPATTO
Non cambia l’inclinazione dell’asse terrestre < 0.05 gradi
Non cambia l’orbita terrestre
CRATERE DI IMPATTO
diametro=170 km
il cratere si è formato nel fondale marino con una profondità temporanea di 35 km
si avrà un diametro finale di 186 km ed una profondità finale di 1.43 km
VAPORIZZATI 10100 km 3 di materiale attorno all’impatto
I pianeti interni
la fine di Marte e Venere
Planisfero di Marte
LUNAE PLANUM
Ascraeus Mons
Habes Chasma
THARSIS MONTES
Pavonis Mons
VALLE MARINERIS
SINAI PLANUM
SOLIS PLANUM
Ophir
Chasma
Chandor
Chasma
Melas
Chasma
La Valle Marineris
Lunghezza 4000 km; larghezza 700 km; profondità 10 km
Olympus Mons
Altezza 26000 m,
diametro 600 km
Il vulcano spento
più alto di Marte
sonda Mars
Express
Cratere di ghiaccio secco nella Vastitas
Borealis
Il suolo di Marte visto dal robot Spirit
Cratere Endurance. Mosaico di immagini dall'interno del cratere
Endurance riprese da Opportunity. Il veicolo è stato aggiunto
all'immagine con la tecnica virtuale utilizzata nella cinematografia e le sue
dimensioni sono reali. La prominenza del cratere in avanti è un effetto
ottico dovuto alla proiezione con cui è stato ricostruito questo mosaico di
46 immagini differenti.
Acqua su Marte ? Il grande canale di Ares Vallis
Larghezza: 25 km
Profondità: 1 Km
Materiale trasportato ~ 200.000 km3
Flusso stimato > 100.000.000 m3/s
sonda Mars Odissey
Acqua su Marte ? Chryse Planitia
Il grande canale, lungo 1600 km, sparisce improvvisamente nel
bassopiano di Chryse (2,5 km più in basso) sonda Mars Odissey
Acqua su Marte ? L’ Oceanus Borealis
L’ ipotesi più plausibile è che siano sfociati in un mare: l’Oceanus
Borealis.
Su Marte l’acqua esisteva, c’era un intero oceano! sonda Mars Odissey
Acqua su Marte ? Forse nel sottosuolo
Venere
Venere visto dal Telescopio
Spaziale HST
Distanza dal Sole (U.A.) = 0,72
Distanza dal Sole (km) = 108 200 000
Periodo di rivoluzione (anni) = 0,615
Eccentricità = 0,0068
Inclinazione rispetto all'eclittica = 3° 23'
Velocità orbitale media (km/sec) = 35,02
Massa (Terra = 1) = 0,815
Raggio equatoriale (km) = 6 051
Raggio equatoriale (Terra = 1) = 0,949
Densità media (Terra = 1) = 0,95
Accelerazione di gravità (Terra = 1) = 0,881
Velocità di fuga (km/sec) =10,36
Periodo di rotazione = -243gg 0h 14,4m
RETRO
Periodo di rotazione = -5823,5 ore RETRO
Inclinazione sul piano dell'orbita = 177,3°
Albedo = 0,65
Magnitudine visuale = -4,4
Numero satelliti = 0
Noto sin dall’antichità
L’atmosfera di Venere
Pressione superficiale
92 bars
Densità superficiale
~ 65 kg/m3
Altezza di scala
15,9 km
Massa totale dell’atmosfera
~ 4,8 x 10
Temperatura media
464 °C
Velocità dei venti
da 0,3 a 1,0 m/s sulla superficie
Peso molecolare medio
43,45 gr/mole
Composizione
CO2 96,5 %, N2 3,5 %
in ppm
20
kg
SO2 150, Ar 70, H2O 20
CO 17, He 12, Ne 7
L’atmosfera di Venere
L’effetto serra sulla Terra e su Venere
E’ la presenza di acqua H2O
ed anidride solforosa SO2
presenti nelle nubi di Venere
che fornisce il contributo
fondamentale
all’effetto
serra, a differenza della
Terra in cui l’elemento più
importante
è
l’anidride
carbonica CO2
Troppe sono le “finestre”
lasciate aperte dalla CO2
nella banda termica della
atmosfera di Venere per
poter dar luogo ad un
effetto serra consistente !
Venere effetto “sputtering”
senza campo magnetico
evapora il vapor d’acqua
La vita sulla Terra
La zona di abitabilità planetaria
La zona di abitabilità planetaria
La distanza da una stella dal quale un pianeta potrebbe sostenere
forme di vita può essere calcolata conoscendo la dimensione e la
luminosità della stella stessa. L'equazione è la seguente:
D UA = (L stella / L sole) ½
dove
D UA = raggio della zona abitabile espresso in unità astronomiche,
L stella indica la luminosità della stella, e
L sole indica la luminosità del Sole.
Un pianeta, per essere abitabile, deve trovarsi sufficientemente
vicino al centro galattico, dove si concentrano alti livelli di elementi
pesanti, grazie ai quali possono originarsi pianeti rocciosi.
Ma non deve trovarsi troppo vicino al centro della galassia: questo,
per evitare un numero di impatti troppo alto con comete e asteroidi
e le radiazioni delle supernovae
La Terra, il pianeta vivente
Perché la Terra è “sistema vivente”
1) Si trova nella fascia abitabile del Sistema solare
2) Ha una atmosfera di tipo secondario cioè “evoluta”
3) E’ geologicamente attiva
4) C’è la Luna
5) Lo dicono i biologi
Nobel chimica 2010 a Heck, Negishi e Suzuki
Premiati per gli studi sul carbonio e per aver sviluppato uno strumento
che potrebbe consentire di creare composti chimici complessi come
quelli che si trovano in natura
Evoluzione e temperatura
Evoluzione e temperatura
La vita sulla Terra
La vita sulla Terra
La Terra, evoluzione umana
L’Olocene, Younger Dryas ed Emiano
Una ricostruzione
dell’Europa
nell’ultimo periodo
freddo (Younger
Dryas) prima
dell’Olocene 13000
anni fa
L'Olocene è l'epoca interglaciale più recente, quella in cui ci troviamo
oggi ed ha avuto inizio circa 10.000 anni fa.
L’ultimo periodo freddo prima dell’Olocene è lo Younger Dryas tra 13000
ed 10000 anni fa.
L’Emiano è la precedente epoca interglaciale che i dati paleoclimatici
situano circa 132000 anni fa !
Dryas Recente (Younger Dryas) ultimo
episodio glaciale (Würm)
L’ evoluzione della atmosfera terrestre
La vita emerge e crea le condizioni per
prosperare
4 miliardi di anni fa - L'attività vulcanica, decisamente maggiore
dell'odierna, produsse l'atmosfera primordiale, molto ricca di
biossido di carbonio. Il vapore acqueo condensandosi produsse gli
oceani.
3,5 miliardi di anni fa -nacque la prima forma di vita
Le prime forme di vita abitano gli oceani
Lo sviluppo della fotosintesi permise ad alcune forme di vita,che
vivevano negli bassi fondali, di assorbire l'energia solare
L’ossigeno, prodotto di scarto della fotosintesi, si accumulò
nell'atmosfera e creò uno strato di ozono (una forma di ossigeno
molecolare [O3]) nell'atmosfera superiore.
Protette dallo strato di ozono che impediva ai raggi ultravioletti,
dannosi per la vita, di attraversare l'atmosfera le varie forme di
vita colonizzarono la superficie della Terra.
Proprietà fisiche dell’atmosfera terrestre
Alpi e pianura
padana
L’atmosfera è costituita dallo strato di gas che circonda un
pianeta
L’atmosfera della Terra è sottile (~1,5% del raggio)
La pressione è data dalle collisioni delle molecole dei gas
La pressione diminuisce con l’altezza, quindi il gas è più
compresso verso il basso
Il gas è in equilibrio idrostatico
Il riscaldamento della Terra
Riscaldamento (senza atmosfera) dipende
dalla distanza dal Sole
dall’albedo, A = energia riflessa/energia incidente
Albedo
A = 0 nessuna riflessione, tutta
l’energia viene assorbita;
A=0,1-0,25 rocce
A=0,7 nubi
A=0,8 ghiaccio
A = 1 tutta l’energia viene riflessa
ATerra = 0,38
Bilancio energetico
Energia emessa ed
energia ricevuta devono
eguagliarsi
L’assorbimento dell’ atmosfera terrestre
Aurore
Esosfera
[Ionosfera]
Fotoni
X
Riscaldamento da fotoni
X
ed UV, ionizzazione, fuga
di gas. Il gas è costituito
da ioni ed elettroni
Forte riscaldamento per
alto assorbimento di UV
Riscaldamento per effetto serra,
correnti convettive
UV
Visibili
La fine della Terra
ed altri eventi
Pronostici per l’apocalisse
Riscaldamento globale incontrollato : 1/2 % nei prossimi 200
anni
Supervulcano : 1/100 % nei prossimi 1000 anni
Impatto di asteroide gigante: 1/1000000 % nei prossimi 100
anni
Gamma Burst (galattico =: 1/15 % nei prossimi 100 My
Pronostici per l’apocalisse: l’evento di Carrington
Macchie solari
disegnate da
Carrington
Supertempesta solare : 1/20 % nei prossimi 15 anni. Un’eruzione solare
potrebbe assumere dimensioni tali da mettere fuori uso le reti energetiche
ed i sistemi di comunicazione.
L'Evento di Carrington fu la più grande tempesta geomagnetica o solare
mai registrata. Fu visualizzata il primo settembre 1859 e deve il suo nome
a Richard Carrington un astronomo inglese che, grazie al suo studio delle
macchie solari, fu precursore anche della Legge di Spörer
L'evento produsse i suoi effetti su tutta la Terra dal 28 agosto al 2
settembre.
La tettonica e la fine dell’attività geologica
La tettonica e la fine dell’attività geologica
La tettonica e la fine dell’attività geologica
2009.09.03
2012.07.20
2012.07.20
Il moto nella Galassia influenza la vita sulla
Terra ?
Il moto nella Galassia influenza la vita sulla
Terra ?
Ecosfera Galattica ed abitabilità planetaria
Un pianeta, per
essere
abitabile,
deve
trovarsi
sufficientemente
vicino al centro
galattico, dove si
concentrano
alti
livelli di elementi
pesanti, grazie ai
quali
possono
originarsi
pianeti
rocciosi.
Pericoli da evitare - magnetar
Il 27 dicembre 2004 è
arrivato un lampo di raggi
gamma dalla Magnetar
SGR 1806-20. Il “lampo”
ha
avuto
effetto
sull’atmosfera
terrestre
giungendo
da
una
distanza di oltre 50000 a.l.
I siti protoplanetari non devono trovarsi troppo vicino al centro
della Galassia: questo, per evitare un numero di impatti troppo
alto con comete e asteroidi e le radiazioni delle supernovae,
gamma ray burst, magnetar
Esplosioni di supernovae
Il sistema binario IK Pegasi a 150 anni luce dalla Terra è costituito da una stella di
sequenza principale ed da una Nana Bianca di massa pari a 1,15 la massa del Sole. E’
il candidato più vicino, nei prossimi milioni di anni, ad esplodere come Supernova di
Tipo Ia.
GRB lampi di raggi gamma
I GRB rilasciano
un’energia di circa
1044 J (circa 2,4 x 10 28
Megatoni) o
corrispondente ad
1/2000 di massa solare
equivalente
Estinzione
nell’Ordoviciano ???
L’evoluzione della stella “Sole”
Sole
Il Sole nella
riga H
Distanza (km)
149 597 970 km 2
Massa (kg)
1,989×1030
Massa
332 830 M
Raggio equatoriale (km)
695 000
Raggio equatoriale
109 R
Periodo di rotazione (giorni)
25-36
Densità media (kg/m3)
1410
Densità al centro (kg/m3)
151300
Pressione al centro (bars)
2,334 · 10
Pressione fotosferica (bars)
0,0001
Temperatura al centro (°K)
15,6 milioni °K
Temperatura fotosferica (°K)
5780
Temperatura coronale (°K)
Da 2 a 3 milioni °K
Velocità di fuga (km/sec)
618
Accelerazione di gravità (m/sec
2
)
T
T
274
Luminosità (J/s)
3,86×1026
Magnitudine visuale
-26,8
Magnitudine assoluta bol.
4,74
Età (miliardi di anni)
4,55
11
La struttura interna del Sole
Il Sole oggi
Mercurio
Venere
Terra
Marte
Il Sole oggi
Il bruciamento dell’H avviene nel nucleo e
l’energia è trasportata verso la zona
convettiva in modo radiativo.
Il gas del nucleo è un “gas perfetto” ad
alta temperatura
Età=4,55 Ga
M =1,99 ·10 30 kg
R =700 000 km
L =3,8 ·10 26 Watt
T =5789 °K
Il Sole termina la fase di sequenza principale
Mercurio
Venere
Terra
Marte
Il Sole esaurisce l’idrogeno nel nucleo
Età=10,9 Ga
∆Età=6,35 Ga
R= 1,58 R
L= 2,2 L
La fase di post-sequenza – Sole subgigante
Mercurio
Venere
Terra
Marte
Il Sole diviene una subgigante
Età=11,6 Ga
∆Età=0,7 Ga
R= da 1,58 a 2,3 R
L= 2,2 L (costante)
T= da 5517 a 4900 °K
La fase di post-sequenza – Sole gigante rossa
Mercurio
Venere
Terra
Marte
Il Sole diviene una gigante rossa
Età=12,233 Ga
∆Età=0,63 Ga
R= da 2,3 a 166 R
L= da 2,2 a 2350 L
T= da 4900 a 3107 °K
La fase di post-sequenza – Sole brucia l’Elio
Venere
Terra
Il Sole brucia
l’elio nel nucleo
(flash He)
Inizio
Età=12,234 Ga
∆Età=0,001 Ga
R= da 2,3 a 9,5 R
L= da 2350 a 41 L
T= da 4900 a 4724 °K
Marte
Fine
Età=12,344 Ga
∆Età=0,11 Ga
R= da 9,5 a 18 R
L= da 41 a 110 L
T= da 4724 a 4450 °K
La fase di post-sequenza – Il Sole esaurisce l’Elio
Venere
Terra
Marte
Il Sole esaurisce
la combustione
dell’elio nel nucleo
Età=12,344 Ga
∆Età=0,11 Ga
R= da 9,5 a 18 R
L= da 41 a 110 L
T= da 4724 a 4450 °K
La fase di post-sequenza – Sole gigante rossa
Venere
Terra
Marte
Il Sole diviene
per la seconda volta
una gigante rossa
Età=12,365 Ga
∆Età=0,021 Ga
La fase di post-sequenza – Sole pulsante
Venere
Terra
Marte
Il Sole pulsa
e diviene instabile
Età=12,366 Ga
∆Età=0,001 Ga
La fase di post-sequenza – Sole Nana Bianca
Venere
Terra
Marte
Il Sole diviene
una Nana Bianca
Età>12,4 Ga
∆Età=0,034 Ga
Variazione del Raggio del Sole
gigante rossa
luminosità
nebulosa planetaria
subgigante
nana gialla
nana bianca
Il percorso evolutivo del Sole
temperatura
L’evoluzione della Terra e le estinzioni di
massa
ovvero
ad ogni fine si succede un nuovo inizio
La presentazione è terminata
