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Cristina Cavazzuti, Laura Gandola,
Roberto Odone
Terra, acqua, aria
Capitolo 8. L’Universo e il Sistema
solare
1. Origine ed evoluzione dell’Universo
2. I corpi celesti: stelle e galassie
3. Il Sole è la nostra stella
4. Il nostro Sistema solare
5. La Luna è il nostro satellite
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Lezione 1
Origine ed evoluzione
dell’Universo
1. Nell’Universo in espansione le
galassie si allontanano l’una
dall’altra
Ancora all’inizio del secolo scorso,
lo spazio che ci circonda appariva
come qualcosa di statico e di
immutabile nel tempo, ma il
progredire delle tecnologie ha
permesso osservazioni sempre
più accurate grazie alle quali si è
potuto stabilire che anche le stelle
che sembrano fisse in realtà si
muovono.
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2. In un anno la luce percorre quasi
10 000 miliardi di kilometri
La luce è una radiazione elettromagnetica che si propaga
con moto ondulatorio. Le onde elettromagnetiche sono
caratterizzate da una cresta, da una lunghezza d’onda e
da una frequenza.
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3. L’Universo è nato da
un’esplosione iniziale e si sta
progressivamente espandendo
Nel 1929 l’astronomo Edwin Hubble ha elaborato la teoria
dell’espansione dell’Universo: sostenne che le galassie si
stanno allontanando le une dalle altre partendo da ogni punto
e in tutte le direzioni. Hubble scoprì anche che più le galassie
sono lontane e più si allontanano velocemente.
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3. L’Universo è nato da
un’esplosione iniziale e si sta
progressivamente espandendo
Verso la fine degli anni Quaranta il fisico George Gamow
sviluppò una teoria secondo cui l’Universo in continua
espansione sarebbe stato generato a partire da un nucleo
primordiale. Gamow arrivò a enunciare la teoria del Big Bang
secondo cui l’esplosione di una massa superconcentrata di
materia ed energia diede origine, 13,7 miliardi di anni fa,
all’Universo e ne causò l’espansione che ancora oggi è
possibile rilevare.
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4. Il destino dell’Universo dipende
dalla sua massa effettiva
Il Big Bang ha fornito all’intero Universo una spinta iniziale
tendente a disperdere sempre più la materia. A questa
spinta di espansione, però si oppone la forza di gravità,
ossia la forza di attrazione che si esercita tra i corpi.
Per allontanare un oggetto dalla Terra occorre dargli una
spinta molto forte, tale da fornire al corpo una velocità,
detta velocità di fuga, sufficiente a sfuggire all’attrazione
gravitazionale terrestre.
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4. Il destino dell’Universo dipende
dalla sua massa effettiva
Sono state formulate due ipotesi riguardo il futuro
dell’Universo:
• il Big Crunch: se la massa presente nell’Universo fosse
superiore al valore critico, allora la forza di gravità avrebbe il
sopravvento sull’espansione. Si avrebbe così un grande
collasso, che porterebbe la materia allo stato iniziale che ha
preceduto il Big Bang;
• la morte fredda dell’Universo: se la massa fosse inferiore
al valore critico, l’espansione continuerebbe indefinitamente e
la materia e la materia diventerebbe sempre più rarefatta e
fredda.
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4. Il destino dell’Universo dipende
dalla sua massa effettiva
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Lezione 2
I corpi celesti: stelle e
galassie
5. Le stelle sono raggruppate in
galassie
Le stelle sono corpi celesti all’interno dei quali viene
prodotta una enorme quantità di energia che si propaga
nell’Universo principalmente sotto forma di luce.
Le stelle, insieme a sistemi planetari,
polvere e gas interstellare sono
raggruppate a formare le galassie.
Le costellazioni sono figure
immaginarie create dall’uomo,
collegando con linee ideali delle stelle.
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6. Le stelle possono essere
classificate in base alle loro
proprietà fisiche
Le proprietà caratteristiche di una stella sono la massa, le
dimensioni, la densità, la temperatura superficiale e la
luminosità.
Alcune stelle mostrano variazioni di luminosità nel tempo: se
le variazioni sono regolari, periodiche e di entità modesta le
stelle sono chiamate variabili; se le variazioni di brillantezza
sono enormi ed improvvise si hanno le novae e le
supernovae.
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7. Nel diagramma HR il nostro Sole
si trova nella sequenza principale
Hertzsprung e Russell idearono un diagramma noto come
diagramma HR, che porta in ascissa la temperatura
superficiale delle stelle e in ordinata la relativa luminosità.
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8. L’evoluzione delle stelle prevede
tre fasi: iniziale, di stabilità e finale
Fase iniziale: una stella si forma quando una nebulosa inizia
a contrarsi per effetto dell’attrazione gravitazionale.
La temperatura interna sale
e il calore viene emesso
sotto forma di radiazione
infrarossa. La futura stella
diventa visibile e viene detta
protostella.
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8. L’evoluzione delle stelle prevede
tre fasi: iniziale, di stabilità e finale
Fase di stabilità: quando il nucleo interno di una protostella
raggiunge temperature intorno ai dieci milioni di gradi
Celsius, hanno inizio le reazioni di fusione nucleare che
trasformano l’idrogeno gassoso in elio, producendo grandi
quantità di energia.
Ha inizio la fase più lunga
e stabile della stella,
durante la quale si trova
nella sequenza principale
del diagramma HR.
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8. L’evoluzione delle stelle prevede
tre fasi: iniziale, di stabilità e finale
Fase finale: quando la maggior parte dell’idrogeno presente
nel nucleo della stella si è trasformato in elio, il processo di
fusione termonucleare termina, la pressione di espansione
non controbilancia più la forza di attrazione gravitazionale e il
nucleo della stella ricomincia a contrarsi. La contrazione del
nucleo provoca un aumento della temperatura interna, che a
sua volta causa l’espansione degli strati esterni della stella.
Quando gli strati esterni si raffreddano, la stella diventa una
gigante rossa.
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8. L’evoluzione delle stelle prevede
tre fasi: iniziale, di stabilità e finale
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9. La «morte» di una stella può
avvenire in diversi modi
Se la massa della stella è inferiore alla metà di quella del
Sole, il suo nucleo continua a contrarsi e collassa fino a
diventare un corpo con dimensioni simili a quelle della Terra
e densità elevatissima, diventa una nana bianca.
Poiché all’interno della nana
bianca non viene più prodotta
energia, essa si spegne
lentamente e si trasforma in
un oggetto stellare chiamato
nana nera.
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9. La «morte» di una stella può
avvenire in diversi modi
Nel nucleo di una stella con massa iniziale tra 0,5 e 8
masse solari, l’alternarsi di contrazioni ed espansioni
continua producendo elementi chimici più pesanti, come
carbonio e ossigeno; si formano così le nane bianche al
carbonio-ossigeno, le più diffuse nell’Universo.
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9. La «morte» di una stella può
avvenire in diversi modi
Se la massa iniziale della stella è di
almeno 8 masse solari, nel nucleo si
formano elementi chimici sempre più
pesanti fino ad arrivare al ferro. Quando la
massa del nucleo di ferro raggiunge un
limite critico, subisce un decadimento e
implode, mentre gli strati esterni della
stella vengono lanciati nello spazio.
Questa esplosione stellare viene chiamata
supernova di tipo II.
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9. La «morte» di una stella può
avvenire in diversi modi
Il destino finale di una supernova dipende dalla sua
massa:
• se la sua massa residua è uguale a circa 3 masse solari,
si trasforma in una stella di neutroni;
• se è superiore a tre volte la massa solare, ciò che rimane
della stella può diventare un buco nero.
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9. La «morte» di una stella può
avvenire in diversi modi
Si ritiene infatti che alcune
supernovae di tipo I derivino
dall’esplosione di nane
bianche che trasferiscono su
di sé la massa di una stella
compagna.
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Lezione 3
Il Sole è la nostra
stella
10. All’interno del Sole avvengono
reazioni di fusione nucleare
Il Sole è una sfera di gas
incandescente. È formato
da quattro involucri
concentrici:
1. il nucleo, la zona più
calda e densa;
2. la zona radiativa;
3. la zona convettiva;
4.la fotosfera.
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11. Sulla superficie solare è hanno
luogo fenomeni visibili anche dalla
Terra
Le macchie solari sono
zone più scure visibili sula
superficie del Sole. Vicino
alle macchie solari si
distinguono getti luminosi
detti protuberanze. Nella
vicinanza di grandi gruppi
di macchie solari si notano
anche i brillamenti.
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12. L’atmosfera solare è costituita
dalla cromosfera e dalla corona
solare
La cromosfera, uno strato di spessore ridotto,
è chiamata così perché appare come un anello
colorato di rosa quando il disco solare è
eclissato dal ciclo lunare durante l’eclissi di
Sole.
La corona solare, si estende fino a centinaia
di kilometri dal Sole e ha una luminosità che
decresce progressivamente.
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13. La massa del Sistema solare è
quasi tutta concentrata nel Sole
Il Sistema solare si estende per più di 4 miliardi di kilometri.
In realtà, lo spazio occupato dai corpi solidi è minuscolo
rispetto alle dimensioni complessive del sistema.
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Lezione 4
Gli otto pianeti del
sistema solare
14. Il Sistema solare si è originato
da una nebulosa primordiale
Il Sole e i pianeti hanno avuto un’origine comune a partire
da un’immensa nube di gas e polvere in uno dei bracci
della Via Lattea.
Una nebulosa primordiale ha
cominciato a collassare su se
stessa e si condensa in un
disco appiattito che ruota
vorticosamente.
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14. Il Sistema solare si è originato
da una nebulosa primordiale
Il centro della nube si sarebbe
riscaldata formando una protostella,
dando origine all’aggregazione di
oggetti di dimensioni sempre
maggiori: i planetesimi.
I planetesimi più vicini al Sole primordiale si accrebbero per
aggregazione di rocce e metalli dando origine ai pianeti
rocciosi: Mercurio, Venere, Terra e Marte. Quelli più lontani
si ricoprirono di ghiaccio e trattengono enormi quantità di gas,
formando i pianeti giganti: Giove, Saturno,
Urano e Nettuno.
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15. I pianeti ruotano intorno al Sole
con i loro satelliti
I pianeti sono corpi celesti che non emettono luce propria,
ma brillano di luce riflessa; di notte, infatti, ci appaiono
luminosi solo perché riflettono la luce del Sole.
I satelliti sono corpi celesti che ruotano sul proprio asse,
intorno ai pianeti, ma compiono anche, insieme ai relativi
pianeti, un moto intorno al Sole detto di traslazione.
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15. I pianeti ruotano intorno al Sole
con i loro satelliti
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16. I pianeti più vicini al Sole sono
definiti rocciosi
I pianeti che presentano diverse analogie con la Terra,
chiamati anche pianeti rocciosi (Mercurio, Venere, Terra
e Marte) sono costituiti da un nucleo metallico circondato
da un mantello basaltico.
Mercurio è grande meno di un terzo
della Terra. È il pianeta più vicino al
Sole ed è l’unico a essere privo di
atmosfera.
Presente intense attività vulcaniche.
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16. I pianeti più vicini al Sole sono
definiti rocciosi
Venere è il pianeta più simile alla
Terra per dimensioni e densità. È
circondato da una densissima
atmosfera costituita prevalentemente
da anidride carbonica che determina
una pressione 90 volte superiore a
quella della nostra atmosfera.
La superficie rocciosa di Venere non è visibile dalla Terra a
causa della presenza continua di nubi formate da goccioline
di acido solforico.
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16. I pianeti più vicini al Sole sono
definiti rocciosi
La Terra è il terzo pianeta del Sistema
solare. È costituita da involucri
concentrici rocciosi, con all’interno un
nucleo di ferro e nichel, e possiede
acqua allo stato liquido. La sua
atmosfera è ricca di ossigeno gassoso:
in tutti gli altri pianeti solari non ne è
stata trovata traccia.
La presenza dell’ossigeno sulla Terra è una conseguenza
dell’attività degli organismi fotosintetici.
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16. I pianeti più vicini al Sole sono
definiti rocciosi
Marte è il primo dei pianeti esterni alla
Terra. È un pianeta roccioso ricco di
ossidi di ferro ed è grande circa a metà
della Terra. La sua atmosfera è
sottilissima e prevalentemente
composta da anidride carbonica.
La temperatura varia fra i -125 °C e i 17 °C. Le regioni
polari sono rivestite da calotte ghiacciate e forti venti (200
km/h) trasportano grandi quantità di polveri.
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17. I pianeti di tipo gioviano sono
costituiti essenzialmente da
idrogeno ed elio
Giove dista dal Sole
mediamente 778 milioni di
kilometri ed è il più grande dei
pianeti giganti. È un pianeta
gassoso e irradia una quantità
di energia pari a circa il doppio
di quella che riceve dal Sole.
Possiede 62 satelliti.
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17. I pianeti di tipo gioviano sono
costituiti essenzialmente da
idrogeno ed elio
Saturno ha numerosi satelliti e il sistema di anelli, che sono
costituiti da frammenti di ghiaccio e hanno uno spessore di
circa un kilometro. Non ha una superficie solida e ha
temperature che arrivano a -191°C.
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17. I pianeti di tipo gioviano sono
costituiti essenzialmente da
idrogeno ed elio
Urano dista dal Sole 2870 milioni di kilometri e
ha una temperatura superficiale media di 215°C.
Nettuno dista dal Sole 4,5 miliardi di
kilometri, ha dimensioni e struttura simili
a Urano ma ne differisce per il colore: è
più azzurro per la presenza di metano
nella sua atmosfera.
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18. Plutone è stato declassato a
pianeta nano
Plutone fu scoperto nel 1930. Si trova
ai limiti del Sistema solare, a una
distanza di circa 5,9 miliardi di kilometri
dal Sole. Era il più piccolo pianeta del
Sistema solare (2300 km di diametro).
La questione del «declassamento» di Plutone venne sollevata
soprattutto per via della scoperta di Eris, un oggetto transnettuniani con un diametro di 2400 km, quindi maggiore di
quello di Plutone. Così si decise di classificare Plutone e gli
asteroidi Cerere ed Eris come pianeti nani.
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19. Asteroidi e pianeti compiono
orbite che possono passare molto
vicine alla Terra
La maggior parte degli asteroidi del Sistema solare si
trova tra le orbite dei pianeti Marte e Giove e ha un
diametro che varia da poche decine di metri a centinaia di
kilometri.
Le comete sono ammassi di
ghiaccio e polvere che
occasionalmente si
avvicinano al Sole e
gradualmente si riscaldano.
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Lezione 5
La Luna è il nostro
satellite
20. Luna e Terra differiscono per le
dimensioni e per altre caratteristiche
La Luna è uno dei satelliti più grandi del Sistema solare: il
suo raggio medio è di 1740 km. Il volume è di 1/49 rispetto
alla Terra e la gravità sulla superficie è minore di 1/6
rispetto a quella terrestre.
I suoi moti di rotazione e di rivoluzione
avvengono in 27 giorni e mezzo. Poiché
compie un giro su se stessa nello
stesso tempo in cui compie un giro
intorno alla Terra, la Luna volge verso la
Terra sempre la stessa «faccia».
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20. Luna e Terra differiscono per le
dimensioni e per altre caratteristiche
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21. I mari lunari sono enormi
superfici ricoperte di lava ormai
fredda
L’impatto di una grande quantità di meteoriti sulla superficie
lunare ha provocato la formazione di grandi crateri di varie
dimensioni; per questo la crosta si è spaccata permettendo la
fuoriuscita di enormi colate di lava basaltica che ha
lentamente ricoperto ampie superfici formando i mari lunari.
La Luna è un corpo celeste molto
stabile: il suo aspetto di oggi è
praticamente lo stesso di tre miliardi
di anni fa.
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22. Le fasi lunari e i moti della Luna
Il moto di rivoluzione della Luna intorno alla Terra avviene su
un piano leggermente inclinato rispetto al piano dell’orbita
terrestre. I due piani si intersecano lungo la linea dei nodi.
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22. Le fasi lunari e i moti della Luna
Osservando la Luna nell’arco di un mese, è possibile notare
che a «faccia» che vediamo assume un aspetto via via
diverso: ciò è causato dalla diversa prospettiva che, stando
sulla Terra, abbiamo della parte illuminata del satellite. Questi
diversi aspetti sono dette fasi lunari e sono dovuti alle
posizioni reciproche che la Luna occupa rispetto alla Terra e al
Sole. Quando la Luna si trova tra la Terra e il Sole, la
posizione viene detta congiunzione. Dopo aver percorso un
quarto della sua orbita, la Luna si trova in quadratura.
Durante il plenilunio, la Luna si trova dalla parte opposta alla
Terra cioè in opposizione.
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22. Le fasi lunari e i moti della Luna
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27. Le eclissi di Sole e di Luna
Eclissi è un termine generico che indica l’occultamento
di un corpo celeste da parte di un altro.
Si parla di eclissi di Sole, quando la Luna si trova fra Sole
e Terra e proietta la propria ombra sulla superficie
terrestre nascondendo il Sole.
Si parla di eclissi di Luna quando la Terra si trova fra il
Sole e la Luna, in opposizione, e proietta la propria
ombra sul nostro satellite oscurandolo.
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27. Le eclissi di Sole e di Luna
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