pianeti
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APPUNTI DI SCIENZE della TERRA I pianeti del sistema solare Prof.ssa Patrizia Moscatelli Liceo Scientifico Statale Vito Volterra Pagina 1 di 17 1 . Mercurio Generalità Mercurio, nella mitologia Romana, era il dio dei commerci, dei viaggi e dei ladri. Il pianeta, dai Greci, ha ricevuto due nomi diversi: Apollo, come stella del mattino, e Ermete, come stella della sera. Gli astronomi greci sapevano però che i due nomi si riferivano allo stesso oggetto. Probabilmente ha ricevuto questo nome a causa del suo rapido moto attraverso cielo: è infatti il pianeta del Sistema Solare che possiede il moto di rivoluzione più rapido. Caratteristiche fisiche Mercurio è il pianeta più interno del Sistema Solare ed è il più piccolo dei pianeti rocciosi. Esso è noto almeno dall'epoca dei Sumeri, cioè dal terzo millennio prima di Cristo, ma, essendo molto vicino al Sole, è anche difficile da osservare a causa della luce solare. Ha una densità analoga a quella terrestre, molto alta (seconda dopo la terra), giustificata dalla presenza di un grosso nucleo di ferro e nichel che si estende per circa sette decimi del raggio del pianeta, rendendo Mercurio il pianeta più ricco di ferro di tutto il Sistema Solare. Probabilmente è proprio questa caratteristica a renderlo unico pianeta terrestre, oltre alla Terra, a possedere un campo magnetico dipolare. Mercurio, a differenza degli altri pianeti terrestri, come la Luna è praticamente privo di atmosfera. Ciò è dovuto alla massa piccola ed alla temperatura elevata, che gli impediscono di trattenere le sostanze gassose costituenti l'atmosfera con la conseguente dispersione nello spazio. A causa dell'assenza dell'atmosfera, il cielo su Mercurio appare di colore nero e le stelle sarebbero visibili anche durante il giorno. Il Sole appare più grande (circa due volte e mezza) rispetto a come è visto dalla Terra e i suoi raggi sono quasi sette volte più forti di quanto sono sulla superficie terrestre. Moti Su Mercurio non esistono stagioni analoghe a quelle che si manifestano sul nostro pianeta. Ciò accade perché l’asse di rotazione del pianeta è posto virtualmente ad angolo retto rispetto alla sua orbita; di conseguenza vicino ai poli ci sono aree che non ricevono mai la luce del Sole. Ruota attorno al Sole con un periodo molto più breve rispetto agli altri pianeti: circa 88 giorni. Il suo moto di rotazione è invece molto lento: esso impiega 58,6 giorni terrestri per compiere un giro su se stesso. Mercurio completa quindi tre rotazioni ogni due rivoluzioni. APPUNTI DI SCIENZE della TERRA I pianeti del sistema solare Prof.ssa Patrizia Moscatelli Liceo Scientifico Statale Vito Volterra Pagina 2 di 17 Per la vicinanza al sole, la lunga durata del periodo di rotazione e la mancanza di atmosfera, durante il giorno le temperature raggiungono valori estremamente alti (410°C) e di notte estremamente bassi (-143°C), pertanto l’escursione termica giornaliera è elevata. La superficie di Mercurio ricorda quella lunare, ricca di crateri da impatto, prodotti dalla caduta di meteoriti. 2 . Venere Generalità L'orbita di Venere è tale che il pianeta è visibile in cielo nelle vicinanze del Sole, in certi periodi all'alba e in altri al crepuscolo. Per questo gli antichi credevano che si trattasse di due astri distinti: Lucifero quello del mattino, Vespero quello della sera. A causa della sua particolare lucentezza, questo pianeta è stato dedicato alla dea della bellezza e dell'amore. Caratteristiche fisiche Le caratteristiche fisiche di Venere (massa, densità, presenza di atmosfera, dimensioni) sono molto simili a quelle terrestri, tanto che viene considerato un "gemello" della Terra anche se differisce da questa per la mancanza di una superficie dinamica, per il campo magnetico quasi inesistente, per la densa atmosfera (la più alta tra i pianeti del Sistema solare), per il senso di rotazione orario, per la mancanza di stagioni e di satelliti. Il pianeta riflette il 70 % della luce che riceve dal Sole: la sua albedo è la più alta di tutto il Sistema Solare. L’altissimo potere riflettente sembra determinato dall’ atmosfera molto spessa che ha sempre ostacolato l’osservazione diretta del pianeta tanto da essere studiato solo dopo gli anni ’60 con l’esplorazione diretta da parte di sonde spaziali. L'atmosfera di Venere è costituita quasi esclusivamente (96,4%) da anidride carbonica (CO2), da azoto (3,4%), da concentrazioni variabili di vapore acqueo (circa 0,01%) e tracce di ossigeno. La temperatura al suolo è infernale: tocca infatti i 450-460 °C e la densa atmosfera immagazzina e trasporta così efficacemente il calore da eliminare qualunque variazione diurna, stagionale o latitudinale. In altre parole, la differenza di temperatura tra l'equatore e i poli è di soli pochi gradi ed anche durante la lunga notte il caldo non diminuisce. La pressione superficiale è pari a 90 atmosfere; sulla Terra bisognerebbe scendere sott'acqua alla profondità di 900 metri circa per sperimentare una pressione simile. Nubi di acido solforico (H2SO4) collocate in una fascia d'altezza compresa tra 42 e 59 km, si spostano ad una velocità media di 360 km/h e nella fascia più alta si presentano condensate in goccioline di piogge acide per le basse (-20°C) temperature atmosferiche. Al di sotto dei 30 km, tali goccioline evaporano senza raggiungere il suolo, per l’alta temperatura, 300°C (temperatura di ebollizione dell’acido). L'enorme APPUNTI DI SCIENZE della TERRA I pianeti del sistema solare Prof.ssa Patrizia Moscatelli Liceo Scientifico Statale Vito Volterra Pagina 3 di 17 quantità di anidride carbonica nella bassa atmosfera genera inoltre un pronunciato effetto serra che impedisce lo smaltimento del calore, determinando sul pianeta la più alta temperatura superficiale del Sistema solare (circa 480 °C). Non solo la temperatura è addirittura superiore a quella che si raggiunge su Mercurio, ma l'escursione termica tra il giorno e la notte è estremamente ridotta. Caratteristiche geomorfologiche La maggior parte della sua estensione è occupata da pianure desertiche. Sulla sua superficie sono presenti anche delle vaste depressioni, due grandissimi altopiani e alcune regioni montuose, alcune delle quali raggiungono i 10 km di altezza. Questi monti sono di natura vulcanica, e gran parte della superficie di Venere è coperta di lava solidificata. Non si osservano invece crateri recenti sulla superficie venusiana: i meteoriti che attualmente cadono hanno dimensioni sufficientemente completamente disgregati dalla densa atmosfera del pianeta. piccole da venire Moti La velocità orbitale è piuttosto elevata e la distanza dal Sole relativamente ridotta, pertanto il pianeta compie una rivoluzione completa intorno al Sole in un tempo abbastanza breve (circa 225 giorni). Al contrario, il moto di rotazione di Venere attorno al proprio asse è il più lento tra tutti i pianeti del Sistema solare (una rotazione completa richiede circa 244 giorni) ed il periodo di rotazione risulta maggiore del periodo di rivoluzione. La durata del giorno, intesa come insieme del dì e della notte (pari a circa 117 giorni terrestri), è comunque inferiore alla durata dell'anno, in quanto il moto di rotazione di Venere è retrogrado; avviene cioè in senso inverso rispetto a quello degli altri pianeti. A causa della velocità di rotazione estremamente ridotta, Venere non possiede un campo magnetico. 3 . Marte Generalità Marte viene spesso chiamato il 'pianeta rosso' perché nel cielo notturno appare come una stella arancionerossa. Il colore associato a quello del sangue sparso sui campi di battaglia spinse gli antichi greci e romani a chiamarlo come il loro dio della guerra (Ares per i Greci e Mars per i Romani). Oggi, grazie ai satelliti APPUNTI DI SCIENZE della TERRA I pianeti del sistema solare Prof.ssa Patrizia Moscatelli Liceo Scientifico Statale Vito Volterra Pagina 4 di 17 esplorativi e scientifici, sappiamo che l'aspetto del pianeta è dovuto alla prevalenza di ossido di ferro (ruggine) nelle rocce marziane. I nomi dei due satelliti di Marte, Deimos e Phobos, significano in lingua greca, rispettivamente "follia" e "paura", e oltre ad avere lo stesso nome dei due figli di Ares, rappresentano gli aspetti spaventosi della guerra, impersonata dal dio. Marte è sempre stato, nella letteratura e nell'immaginario collettivo, il luogo più adatto nel Sistema solare ad ospitare forme di vita extraterrestri. Già alla fine dell'800 un astronomo americano propose l'idea che i canali avvistati sulla superficie marziana potessero essere opere di ingegneria realizzate dagli abitanti del pianeta. Questo pianeta possiede le tre condizioni ritenute dagli scienziati indispensabili per la vita: - elementi quali carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto - energia sotto forma di energia solare o calore proveniente dal sottosuolo - acqua Nel 1976 la sonda spaziale Viking 1, in orbita attorno al pianeta, scattò la foto di una porzione della superficie di Marte nella quale compare una particolare conformazione rocciosa (di circa 3 x 1,5 km) che ricorda le sembianze di un volto umano. Tra le diverse interpretazioni della foto, ve ne fu una che sosteneva si trattasse di qualche sorta di monumento artificiale costruito da antiche forme di vita intelligenti che visitarono o abitarono Marte in passato. Fino ad oggi non si sono riscontrati segni di vita su Marte presente o passata. La sonda Nasa Curiosity un robotlaboratorio spaziale ha identificato evidenti tracce di acqua più "pesante" di quella terrestre, contenente deuterio, zolfo, cloro e molecole organiche semplici che nulla ci dicono sulla presenza di vita su Marte. La NASA, così come altre Agenzie Spaziali, continua infatti ad inviare sonde e apparecchi come Curiosity equipaggiati da RTG (radioisotope thermoelectric generator) ovvero un generatore termoelettrico a radioisotopi, cioè convertitore di calore in energia elettrica che sfrutta l’energia nucleare (decadimento radioattivo) liberata dal letale plutonio 238. Così come sulla Terra non si accetterebbe un auto che girasse nelle nostre città con questo materiale altamente radioattivo e mortale, non si comprende, se non per il profondo egoismo umano, come si possa "scoprire la vita" con una "bomba sporca" su rotelle. Fatto sta che proprio questo "reattore nucleare" permetterà la vita di Curiosity per almeno altri 55 anni. La NASA ha quindi deciso il 4 dicembre 2012 di estendere la missione di Curiosity fino a "consumazione" (o ad "esaurimento") del Mars Science Laboratory(Curiosity) stesso. Ufficialmente la fine dell'operatività di Curiosity era prevista dopo due anni. APPUNTI DI SCIENZE della TERRA I pianeti del sistema solare Prof.ssa Patrizia Moscatelli Liceo Scientifico Statale Vito Volterra Pagina 5 di 17 Caratteristiche fisiche L'inclinazione dell'asse di rotazione è praticamente simile a quella terrestre (24°46' contro i 23°27' terrestri) per cui su Marte si ha un'alternanza di stagioni come le nostre; solo che, a causa della maggior distanza dal Sole e della maggior durata di un'intera rivoluzione (pari a 687 giorni terrestri), le stagioni sono più fresche e durano quasi il doppio. Marte ha delle calotte permanenti di ghiaccio ad entrambi i poli, composte per lo più di anidride carbonica solida ("ghiaccio secco"). Queste calotte mostrano una struttura stratificata, con strati di ghiaccio alternati a concentrazioni di polvere scura. Durante l'estate nell'emisfero nord, l'anidride carbonica sublima completamente, lasciando uno strato residuo di ghiaccio d'acqua. Non si sa se ci sia uno strato analogo sotto la calotta del polo sud (a sinistra), poiché la sua anidride carbonica non scompare mai del tutto. Ciò si pensa sia dovuto alla diversa durata delle stagioni nei due emisferi, estate più lunga, ma meno calda nell’emisfero boreale rispetto a quello australe per la diversa distanza dal sole. I cambiamenti stagionali conseguenti al mutamento delle calotte polari fanno variare la pressione atmosferica di circa il 25% visto che questa è formata soprattutto da anidride carbonica. Marte ha un atmosfera molto sottile, composta per lo più dalla modesta quantità residua di anidride carbonica (95,3%), cui si aggiungono azoto (2,7%), argo (1,6%) e tracce di ossigeno (0,15%) e acqua (0,03%). Tuttavia è densa abbastanza per avere venti molti forti e vaste tempeste di sabbia che talvolta coprono l'intero pianeta per mesi. La lieve atmosfera di Marte produce un effetto serra, ma è sufficiente soltanto ad aumentare la temperatura di superficie di 5 gradi; molto meno di quanto vediamo su Venere e sulla Terra. Caratteristiche geomorfologiche La maggior parte della superficie marziana è assai antica e craterizzata, ma ci sono anche valli, creste montuose, colline e pianure molto più giovani. L'emisfero meridionale di Marte è costituito soprattutto da antichi altipiani craterizzati, in un certo modo simili a quelli della Luna. Al contrario, la maggior parte dell'emisfero settentrionale è formato da pianure che sono più giovani, meno elevate e hanno una storia più complessa. Sul confine fra le due zone sembra esserci un brusco cambiamento di altitudine. Le ragioni di questa dicotomia globale sono sconosciute (alcuni APPUNTI DI SCIENZE della TERRA I pianeti del sistema solare Prof.ssa Patrizia Moscatelli Liceo Scientifico Statale Vito Volterra Pagina 6 di 17 ipotizzano che sia dovuta ad un gigantesco impatto verificatosi subito dopo la formazione del pianeta). La parte interna di Marte è conosciuta solo attraverso la combinazione dei dati riguardanti la superficie con le statistiche sulla massa del pianeta. L'ipotesi più verosimile vede un denso nucleo di 1.700 km di raggio, un mantello di roccia fusa un po' più denso di quello terrestre, e una crosta sottile. La densità di Marte è relativamente bassa, se comparata a quella degli altri pianeti terrestri: ciò indica che il suo nucleo contiene probabilmente una buona frazione di zolfo oltre al ferro (ferro e solfuro di ferro). Moti e satelliti La durata del giorno su Marte è, casualmente, quasi la stessa (24h 37' 23") del giorno sulla Terra. Il periodo di rivoluzione è quasi il doppio di quello terrestre, dovuto alla maggiore distanza dal Sole. Marte ha due satelliti: Deimos e Phobos. La loro esistenza era stata ipotizzata circa un secolo e mezzo prima sia dallo scrittore inglese Jonathan Swift, che nel racconto “I viaggi di Gulliver” fa dire dagli scienziati dell'isola galleggiante di Laputa che Marte ha due satelliti, che da Voltaire, che fa dire la stessa cosa all'abitante di Saturno e di Sirio nel libro Micromega. Sicuramente si tratta di pura coincidenza, in quanto i telescopi di quel periodo, prima metà del 1700, non erano in grado di mostrare satelliti così piccoli. Può essere interessante sapere che entrambi gli scrittori facevano parte della Massoneria che sembra fosse in contatto con i Templari i quali sembra conservassero conoscenze astronomiche risalenti agli antichi egizi e a questi tramandate addirittura da antiche civiltà risalenti ai tempi di Atlantide. I due satelliti hanno entrambi il periodo di rivoluzione uguale a quello di rotazione intorno al proprio asse, pertanto come nel caso della Luna con la Terra, mostrano la stessa faccia a Marte. Phobos e' un corpo allungato, dai contorni irregolari, oscuro e costellato di crateri. Misura appena 13,5 x 10,8 x 9,4 Km ed è il satellite più grande e più vicino a Marte. Completa un orbita in poco più di un terzo del periodo di rotazione marziano (7h 39' ) e proprio a causa della vicinanza col pianeta le forze attrattive di questo stanno "restringendo" l'orbita di Phobos di circa 1.8 m al secolo, quindi più che di un'orbita circolare si dovrebbe parlare di un'orbita spiraleggiante molto ampia. Quando il raggio dell'orbita scenderà sotto i 5000 km, Fobos cadrà sul pianeta o, più probabilmente, si disintregrerà; questo dovrebbe avvenire tra circa 50 milioni di anni. Deimos ha la forma di un uovo, delle dimensioni di 7,5 x Km. La sua superficie di colore rossastro è molto fortemente craterizzata, anche se sembra molto più liscio di Phobos in quanto le cavità sono riempite parzialmente 6,1 x 5,5 scura, e e levifato da detriti grossi almeno una APPUNTI DI SCIENZE della TERRA I pianeti del sistema solare Prof.ssa Patrizia Moscatelli Liceo Scientifico Statale Vito Volterra Pagina 7 di 17 decina di metri. Ruota intorno a Marte in un tempo superiore al suo moto di rotazione e cioè in 30h 18' pertanto tende ad allontanarsi sempre di più. I due satelliti sono simili per composizione chimica hanno rocce ricche di carbonio e ghiaccio e sono simili ad asteroidi, infatti alcuni scienziati sostengono che si tratta di due asteroidi catturati dal campo gravitazionale di Marte. Si ritiene che i satelliti abbiano la stessa origine: o sono due grandi pezzi di un unico asteroide che si è frantumato passando vicino Marte, o sono frammenti di un satellite più grosso andato in pezzi in seguito ad una catastrofica collisione avvenuta in tempi remoti con una cometa o con un asteroide. Marte è inoltre l’unico pianeta terrestre assieme al quale ruotano, lungo la stessa orbita, gruppi di asteroidi detti troiani che orbitano 60° avanti e dietro al pianeta. 4 . Giove Generalità Dopo lo stesso Sole, la Luna e Venere, il quarto oggetto più luminoso del cielo ed il maggiore pianeta per massa e dimensioni. Per tali motivi è stato chiamato come il re degli dei dell'Olimpo (Zeus per i greci e Giove per i romani). Caratteristiche fisiche E' il più grande dei pianeti giganti gassosi, del quale fanno parte pure Saturno, Urano e Nettuno. Ha un raggio equatoriale di circa 71.500 km, 11 volte quello della Terra, la sua massa corrisponde a 318 volte quella del nostro pianeta (il doppio di quella di tutti gli altri messi insieme) e a causa della minore densità (un quarto di quella terrestre) il suo volume è più di 1.000 volte quello della Terra. A causa della enorme massa, la sua forza di gravità risulta quella più alta tra i pianeti e pari a circa 2,4 volte quella della Terra. Per fare un esempio, un oggetto che sulla Terra pesasse 100 chili, su Giove ne peserebbe 240. La temperatura atmosferica di Giove è di circa -150°C, ma va aumentando verso l'interno dove, negli strati più profondi ai quali giunge dal nucleo un surplus di radiazione infrarossa, sale a -50°C; il nucleo del pianeta si trova a temperatura elevatissima. Il campo magnetico di Giove è molto intenso e ha verso opposto rispetto a quello terrestre: una bussola sul pianeta indicherebbe il sud anziché il nord! Tale campo è dovuto alla grande massa d'idrogeno fluido che compone il pianeta, la quale funziona come un gigantesco corpo conduttore elettrico. Nelle regioni polari del pianeta sono state osservate emissioni aurorali, simili alle aurore polari terrestri; esse sono probabilmente dovute a particelle cariche APPUNTI DI SCIENZE della TERRA I pianeti del sistema solare Prof.ssa Patrizia Moscatelli Liceo Scientifico Statale Vito Volterra Pagina 8 di 17 provenienti dal satellite Io. Il grande vulcanismo del satellite Io genera un'intensa produzione di particelle cariche (ioni) . Queste particelle cariche vengono intrappolate dal campo magnetico di Giove, colpiscono l'alta atmosfera, lì eccitano gli atomi e le molecole, causando il loro bagliore che appare come scie di emissione bianche, a forma di "cometa striata". Caratteristiche geomorfologiche Il suo aspetto è caratterizzato da fasce parallele d'ampiezza e colori diversi che circondano la sua superficie e (come altri pianeti gioviani) da uno schiacciamento polare;tali caratteristiche sono dovute alla combinazione dell'alta velocità di rotazione e dello stato fluido della materia. La rotazione veloce inoltre è tra le cause delle turbolenze e dei vortici osservabili nella sua atmosfera. Come tutti i pianeti gassosi, non ha una superficie solida, ma semplicemente il materiale gassoso diventa sempre più denso verso l'interno del pianeta. Quella che noi vediamo non è quindi la superficie fisica, bensì la parte superiore della sua atmosfera. Le bande colorate sono sistemi di nubi spinte da forti venti in direzione parallela all'equatore del pianeta, a velocità anche superiori a 600 Km/h, con una temperatura decrescente all'aumentare della quota, che raggiunge i -150 °C negli strati più esterni; i venti soffiano in direzioni opposte in due bande adiacenti in modo tale che ogni striscia è una corrente di venti a direzione contraria rispetto a quella che fiancheggia. I loro diversi colori indicano la presenza di composti chimici diversi alle varie latitudini dell'atmosfera gioviana e forse di reazioni chimiche tra essi: i componenti più importanti delle nubi sono cristalli ghiacciati di ammoniaca e d'idrosolfuro di ammonio. L'aspetto delle bande cambia con tempi che possono variare da poche ore a qualche giorno. A volte, addirittura, qualche striscia svanisce nel nulla. E’ successo che la banda scura appena sotto l’equatore sia scomparsa per poi riapparire dopo mesi. Visto che si tratta di gas, è probabile che la banda si sia raffreddata per qualche motivo e sia quindi sprofondata ad altezze minori rispetto alle altre fasce più calde. Per rendersi di nuovo visibile dopo essersi scaldatai di nuovo per salire in superficie. Oltre alle fasce sono presenti protuberanze, vortici e macchie irregolari, la più grande delle quali è la "Grande Macchia Rossa" grande abbastanza da contenere due volte la Terra. E' localizzata nell'emisfero sud del pianeta e venne scoperta dall'astronomo Cassini nel 1665. Per secoli è stata facilmente visibile, avendo avuto uno spiccato colore rosso, ma negli ultimi decenni si è notevolmente decolorata arrivando ai giorni nostri ad un leggero colore marroncino, non facilmente distinguibile dal resto delle strutture gioviane. Giove si può definire come una stella mancata. La composizione chimica del pianeta è simile a quella del Sole; infatti è prevalentemente gassoso, col 75% della sua massa formato d'idrogeno e il restante 25% circa d'elio, con piccole tracce d'altri elementi, quali ammoniaca, metano e vapore acqueo. Tale composizione, come pure quella di Saturno, è molto simile alla nube primordiale dalla quale si pensa si sia generato il Sistema Solare. APPUNTI DI SCIENZE della TERRA I pianeti del sistema solare Prof.ssa Patrizia Moscatelli Liceo Scientifico Statale Vito Volterra Pagina 9 di 17 Come Saturno, Giove emette una quantità d'energia due volte e mezzo superiore a quella che riceve dal Sole, quindi deve possedere, a differenza degli altri pianeti, qualche sorgente interna. L'energia in eccesso viene prodotta dalla lenta contrazione gravitazionale del pianeta, la quale trasforma l'energia potenziale gravitazionale in energia radiattiva, portando la zona nucleare ad una temperatura dell'ordine dei 20.000 Kelvin. Tale temperatura è insufficiente ad innescare le reazioni di fusione termonucleare nel centro di Giove ma, se la sua massa fosse stata almeno 90 volte più elevata, la temperatura e pressione al suo interno sarebbero state tali da permettere la fusione dei nuclei d'idrogeno ed esso sarebbe diventato una stella. La conoscenza dell'interno di Giove, come per tutti gli altri pianeti gassosi, è impossibile e, quel poco che sappiamo, deriva per lo più da evidenze indirette. Al suo centro c'è probabilmente un piccolo nucleo solido di ferro e silicati, il quale contiene una massa 10-15 volte quella terrestre. Qui la compressione gravitazionale del pianeta produce elevatissime pressioni (450 milioni di atmosfere) e temperature che raggiungono i 24.000 °C. Il grande calore generato dal nucleo è causa delle correnti convettive negli strati fluidi più esterni. Attorno a esso troviamo uno strato di idrogeno metallico, uno stato fisico molto particolare che si determina per effetto di alte pressioni. I protoni vengono circondati da elettroni liberi in movimento, come nei metalli. Tale strato di idrogeno a sua volta dovrebbe essere ricoperto ancora da idrogeno ma allo stato liquido (come il solido, solo che non forma un reticolo cristallino) che, grazie all’elevata velocità di rotazione del pianeta, genera un campo magnetico dieci volte più intenso di quello della Terra. L'ultimo strato, spesso circa 1.000 km, costituisce l'atmosfera del pianeta. Giove è fornito di un piccolo sistema di tre anelli molto piccoli e deboli. Queste strutture, scoperte per caso, sono scure e probabilmente composte da piccolissimi grani di materiale roccioso. Queste particelle, che compiono un giro completo intorno al pianeta in 5 - 7 ore, non vi rimangono a lungo perché tendono a cadere verso la superficie di Giove attratte dalla forza gravitazionale. La sonda Galileo ha scoperto che gli anelli vengono continuamente riforniti di materia dalla polvere che si origina dall'impatto di micrometeoriti con i quattro satelliti interni, ma anche grazie all'attività vulcanica di Io. Moti e satelliti La velocità di rotazione del pianeta attorno al proprio asse è la più elevata fra tutti quelli del Sistema solare, per cui Giove compie un giro completo su se stesso in poco meno di 10 ore. Al contrario, vista la grande distanza dal Sole, il suo periodo di rivoluzione è piuttosto lungo e corrisponde circa a 12 anni. Attorno a Giove, orbitano numerosi satelliti (oltre 60) di cui però solamente 16 hanno un diametro superiore ai 10 km. Fra questi, ne esistono quattro principali, detti galileiani, in quanto scoperti nel 1610 da Galileo Galilei. Egli dedicò i nuovi astri a Cosimo II de Medici, signore di Firenze e famoso mecenate, chiamandoli astri medicei. APPUNTI DI SCIENZE della TERRA I pianeti del sistema solare Prof.ssa Patrizia Moscatelli Liceo Scientifico Statale Vito Volterra Pagina 10 di 17 Furono poi battezzati con i nomi di Io , Europa, Ganimede e Callisto in ordine di distanza dal pianeta. Un tempo si riteneva che i satelliti galileiani fossero freddi mondi inerti con superfici craterizzate dall'impatto di un gran numero di oggetti nelle prime fasi di vita del Sistema solare. Numerose furono le sorprese rivelate dalle sonde che permisero la loro osservazione. Io è senza dubbio il più spettacolare tra tutti i satelliti del Sistema solare. Ha un vivace colore arancione e non presenta crateri. Si può quindi dedurne che si è formato dopo il periodo di bombardamento meteoritico che ha caratterizzato il Sistema solare nelle prime epoche della sua formazione. La sua superficie però è disseminata di vulcani attivi, caratteristica che ha in comune solo con la Terra. Europa è un satellite di colore biancastro senza vulcani né crateri ben evidenti e il suo aspetto richiama quello di un oceano artico con la superficie composta da ghiaccio solcato da linee. È un satellite liscio quasi come una palla di biliardo e si suppone rivestito da una crosta di ghiaccio profonda un centinaio di km sovrastante una fanghiglia di acqua e ghiaccio e un nucleo roccioso, il cui raggio misura 1.400 km. In particolare la superficie presenta sotto di sé uno strato di acqua liquida della profondità di forse 50 km. 5 . Saturno Generalità Conosciuto fin dall'antichità venne chiamato col nome del dio romano dell'agricoltura, marito della dea del raccolto Opi, nota anche come Rea, e padre fra gli altri di Cerere, Giove, Nettuno e Plutone; dai Greci era identificato con la divinità Crono, il dio del tempo che divorava i propri figli. E’ l’ultimo pianeta visibile ad occhio nudo dalla Terra. Il primo ad osservarlo al telescopio fu Galileo Galilei nel 1610 e l‘immagine che documentò fu quella di un pianeta rigonfio all’equatore non riuscendo ad individuare gli anelli che caratterizzano questo pianeta. Il primo a capire la vera geometria degli anelli fu Christiaan Huygens nel 1659. Con l'evoluzione degli strumenti in seguito si osservò che gli anelli sono molteplici, separati da spazi "vuoti" e gli anelli sono suddivisi a loro volta in innumerevoli sottoanelli, diventati addirittura migliaia grazie alle immagini riportate dalle sonde interplanetarie. Caratteristiche fisiche Secondo pianeta del sistema solare per massa e dimensioni. E’ un pianeta gigante gassoso molto simile a Giove. Appare molto più schiacciato ai poli degli altri pianeti gioviani . Questo è il risultato della sua rapida rotazione e del suo stato fluido. E’ il pianeta meno denso del Sistema solare, con un valore di densità inferiore a quello dell’acqua analoga più o meno a quella di un tappo di sughero. APPUNTI DI SCIENZE della TERRA I pianeti del sistema solare Prof.ssa Patrizia Moscatelli Liceo Scientifico Statale Vito Volterra Pagina 11 di 17 L'asse di rotazione è inclinato di 26,731 gradi, regalando al pianeta un ciclo di stagioni più o meno analogo a quello terrestre e marziano, ma assai più lungo. Come Mercurio, la Terra e Giove anche Saturno possiede un campo magnetico dipolare, ma a differenza di questi pianeti l’asse del dipolo è quasi coincidente con l’asse di rotazione. Presenta un campo magnetico notevolmente più basso rispetto a quello di Giove e analogo a quello terrestre anche se, come Giove, a polarità inversa rispetto a quello terrestre. Anche Saturno, come Giove, sembra avere una sorgente interna di energia che gli fa emettere circa 2,2 volte più energia di quella che riceve dal Sole. Probabilmente si tratta della lenta contrazione gravitazionale del pianeta, che produce un riscaldamento dello stesso: il suo nucleo ha una temperatura di circa 12.000 gradi. Caratteristiche geomorfologiche Come su Giove, anche nell’atmosfera di Saturno si alternano fasce scure e zone chiare, parallele all’equatore. Sia nelle fasce sia nelle zone sono riconoscibili perturbazioni di tipo ciclonico e formazioni di nubi. Tali caratteristiche però sono meno marcate rispetto a Giove a causa delle fitte nebbie che sovrastano le nubi. Essendo infatti Saturno più freddo, gli strati nuvolosi condensano più in basso nell’atmosfera e appaiono sfumati dalle nebbie e dalla spessa massa atmosferica sovrastante. E' difficile stabilire dove sia la base della atmosfera di Saturno, infatti pressione e temperatura variano con la profondità in modo tale che non esiste una netta separazione fra le regioni in cui idrogeno molecolare ed elio sono allo stato gassoso e quelle in cui passano allo stato liquido. Un’altra notevole differenza tra i due giganti gassosi sono i venti che su Saturno soffiano a una velocità più elevata che su Giove (all’equatore i venti spirano verso est a 1800 km/h). Come Giove, anche Saturno è composto per il 75% da idrogeno e per il 25% da elio con tracce di acqua, metano, ammoniaca e roccia, composizione simile a quella della nebulosa solare primordiale da cui si è formato il sistema solare. Presenta però rispetto a Giove una quantità maggiore di idrogeno rispetto all’elio. Ciò si pensa dovuto ad una attrazione maggiore dell’elio verso il nucleo, fatto che impoverirebbe maggiormente l’atmosfera di questo gas e potrebbe inoltre aumentare il calore interno per la frizione con l’idrogeno circostante. La struttura interna del pianeta è del tutto simile a quella di Giove, e le dimensioni del nucleo interno (probabilmente roccioso) sono paragonabili a quelle dell'intera Terra. Il modello più accreditato propone un nucleo solido ferroso, con ossido di magnesio e biossido di silicio che racchiude il 25% della massa totale. Lo spazio sovrastante sarebbe occupato da idrogeno metallico. In questa zona la pressione è, APPUNTI DI SCIENZE della TERRA I pianeti del sistema solare Prof.ssa Patrizia Moscatelli Liceo Scientifico Statale Vito Volterra Pagina 12 di 17 infatti, pari a 3 milioni di atmosfere e la temperatura all’incirca 20 000 K tali che l’idrogeno e l’elio non solidificano mai, rimanendo allo stato metallico liquido. Al di sopra e sino alla "superficie" del pianeta si trova uno strato di idrogeno molecolare e di elio allo stato liquido non metallico. Moti e satelliti Saturno ha un periodo di rotazione intorno alle 10 ore e 38 minuti ed un periodo di rivoluzione completa in 29,458 anni terrestri. Saturno ha un incredibile numero di satelliti naturali, se ne conoscono una cinquantina ma solo trenta possiedono un nome, gli ultimi 12 sono stati scoperti nel 2005 dal telescopio giapponese Subaru. E' impossibile stabilire il vero numero di satelliti che possiede Saturno per il semplice motivo che ognuno dei corpi che ruotano intorno al pianeta e che formano gli anelli planetari è da considerarsi un satellite, ma il satellite più interessante è Titano, l'unico satellite del sistema solare che possiede una atmosfera densa. Saturno possiede un magnifico sistema di anelli planetari, composti da milioni di piccoli oggetti ghiacciati, della grandezza di un chilometro o meno, orbitanti attorno al pianeta sul suo piano equatoriale, e organizzati in un anello piatto. Poiché l'asse di rotazione di Saturno è inclinato rispetto al suo piano orbitale, anche gli anelli risultano inclinati. Questa natura "granulare" degli anelli fu dimostrata per via teorica fin dal 1859 dal fisico scozzese J. C. Maxwell. Gli anelli iniziano ad un'altezza di circa 6600 km dalla sommità delle nubi di Saturno e si estendono fino a 120 000 km, poco meno di un terzo della distanza Terra-Luna. Il loro spessore è mediamente pari ad appena 3 km. Gli anelli sono divisi in sette fasce, separate da delle divisioni che sono quasi vuote. L'organizzazione in fasce e divisioni risulta da una complessa dinamica ancora non ben compresa, ma nella quale giocano sicuramente un ruolo i cosiddetti satelliti pastori, lune di Saturno che orbitano all'interno o subito fuori dell'anello. L'origine degli anelli è sconosciuta. Ci sono due ipotesi principali: che siano il risultato della distruzione di un satellite di Saturno, ad opera di una collisione con una cometa o con un altro satellite, oppure che siano un "avanzo" del materiale da cui si formò Saturno che non è riuscito ad assemblarsi in un corpo unico. APPUNTI DI SCIENZE della TERRA I pianeti del sistema solare Prof.ssa Patrizia Moscatelli Liceo Scientifico Statale Vito Volterra Pagina 13 di 17 6 . Urano Generalità Urano è il primo dei pianeti del Sistema solare non ancora noti agli antichi, ha infatti una magnitudine apparente al limite della visibilità ad occhio nudo. Il nome Urano (Uranus in latino) rispetta la designazione classica che si rifà alla mitologia. Urano nella mitologia greca era la prima e suprema divinità: padre di Saturno, dei Ciclopi e dei Titani e nonno di Giove (Zeus). La scoperta di Urano fu un caso fortuito.Il 13 marzo 1781 il tedesco William Herschel, mentre esplorava la volta celeste col suo telescopio, notò una fioca “stellina”. Continuando ad osservare questo curioso astro Herschel capì che si trattava di un nuovo pianeta del sistema solare. È il settimo pianeta per distanza dal Sole, il terzo in grandezza ed il quarto per massa. Data la lontananza dal Sole, di lui si conosce molto meno rispetto ai pianeti precedenti. Le notizie che abbiamo risalgono a gennaio 1986, quando la sonda americana Voyager 2 giunse nei pressi di Urano circa quattro anni e mezzo dopo il passaggio nei pressi di Saturno, pochi giorni dopo il grande disastro nel cielo di Cape Canaveral che interessò la navetta Challenger provocando la morte dei sette astronauti a bordo. L'incontro con Urano era stato preparato con grande cura e con notevoli difficoltà: basti pensare che, distante circa 3 miliardi di chilometri dal sole, Urano riceve una quantità di luce solare quasi 400 volte minore di quella che giunge sulla Terra, ed i segnali trasmessi dalla sonda impiegarono circa 2 ore e 51 minuti a raggiungere la Terra. La fase di studio prevedeva soltanto un passaggio veloce, prima di proseguire alla volta di Nettuno. Il bilancio fu molto positivo: grazie alle fotografie della sonda, Urano aveva finalmente un volto. Caratteristiche fisiche La sua densità è quasi uguale a quella di Giove, ma con massa circa 22 volte inferiore. Mentre la maggior parte dei pianeti del Sistema solare ha l'asse di rotazione quasi perpendicolare all'eclittica, Urano invece lo ha quasi parallelo e per questo il Sole è visibile da uno stesso polo per 42 anni terrestri, caratteristica molto originale, che lo rende unico in tutto il sistema solare. Se i pianeti “ruotano” intorno al Sole si può ben dire che Urano “rotola” attorno al Sole. Un risultato di questo strano orientamento è che le regioni polari di Urano ricevono una grande quantità di energia dal Sole in maniera maggiore rispetto alle regioni prossime all’equatore. Tuttavia Urano è più caldo all’equatore che ai poli, anche se il meccanismo responsabile di ciò non è attualmente conosciuto. APPUNTI DI SCIENZE della TERRA I pianeti del sistema solare Prof.ssa Patrizia Moscatelli Liceo Scientifico Statale Vito Volterra Pagina 14 di 17 Forse quest' anomala inclinazione dell'asse di rotazione è dovuta ad una collisione con un corpo di massa simile a quella della Terra. Grazie alle sonde spaziali si è potuto verificare che Urano ha un campo magnetico, di intensità pari a quello terrestre. Tale campo magnetico è però molto particolare in quanto non ha il suo centro nel nucleo del pianeta ed è inclinato di almeno 60° rispetto all’asse di rotazione. Non si conosce ancora il motivo di tale fenomeno. Caratteristiche geomorfologiche Come Giove e Saturno, anche Urano possiede una atmosfera composta principalmente da idrogeno ed elio, ma similmente a Nettuno presenta una quantità elevata di “ghiacci”, come l’acqua, l’ammoniaca e il metano, assieme a tracce di idrocarburi. Detiene anche il primato dell’atmosfera più fredda del sistema solare, con una temperatura minima che può scendere fino a 49 K (−224 °C). Osservato da Terra il pianeta appare come un disco verde-azzurro in cui si distinguono striature simili alla strutture a bande di Giove. Il pianeta non possiede uno strato di idrogeno metallico liquido, ma ha probabilmente un nucleo solido roccioso, composto soprattutto da silicio e ferro. Nel 1977 osservazioni basate sull'occultazione di stelle da parte del pianeta mostrarono che possedeva un sistema di anelli simile a quello di Saturno. Anche questa scoperta avvenne per caso. L’osservatorio aereo della Cornell University (Università di New York) doveva studiare l’atmosfera di Urano prima che questo satellite nascondesse una stella vicina, in modo che i raggi della stella fossero filtrati dall’atmosfera rendendola visibile. Notarono che la stella scompariva per breve tempo cinque volte prima che venisse occultata e cinque volte dopo la sua riapparizione. Tale fenomeno fu giustificato dalla presenza di anelli intorno al pianeta. La confermato venne dalla sonda Voyager; oggi sappiamo che gli anelli sottili e molto scuri sono 11 interni e due esterni. Nel dicembre 2005 il telescopio spaziale Hubble ha fotografato due nuovi anelli molto lontani dal pianeta, il più largo dei quali ha un diametro due volte più grande degli anelli precedentemente conosciuti. Moti e satelliti Urano impiega 84 anni per compiere una rivoluzione attorno al Sole percorrendo l’orbita ad una velocità di 6,8 km/s e ruota su sè stesso in circa 17 ore con una rotazione retrograda. APPUNTI DI SCIENZE della TERRA I pianeti del sistema solare Prof.ssa Patrizia Moscatelli Liceo Scientifico Statale Vito Volterra Pagina 15 di 17 I satelliti noti di Urano conosciuti attualmente sono 27, di cui i 5 più grandi scoperti prima della missione della sonda Voyager. I satelliti uraniani (caso unico fra i pianeti del sistema solare) non vengono battezzati in onore di divinità antiche, ma con i nomi di personaggi delle opere di William Shakespeare o di Alexander Pope. Il loro periodo di rotazione coincide con quello di rivoluzione, per cui volgono sempre la stessa faccia al pianeta. Si tratta di satelliti densi e piuttosto scuri, le cui superfici sono coperte di materiale roccioso e di ghiaccio; il principale è Titania. 7 . Nettuno Generalità La nostra storia comincia il 17 marzo 1781 quando sir Wilhelm Herschel, astronomo dilettante, scoprì al telescopio il pianeta Urano. Apparentemente viene da chiedersi quale significato possa avere questo avvenimento, ma si deve tenere presente che negli anni successivi le posizioni di Urano sulla volta celeste, calcolate matematicamente, non coincidevano con quelle realmente assunte dal pianeta, anzi, tendevano a divergere sempre di più. Alcuni astronomi giunsero alla conclusione che l'orbita di Urano doveva essere perturbata dalla presenza di un altro corpo, forse un pianeta, che viaggiava in una zona ancora più periferica del Sistema Solare. Solo nel 1846 il professor Galle dell'Osservatorio di Berlino, in base a calcoli individuò l’orbita e la posizione di questo ipotetico pianeta che riuscì a visualizzare come un debole dischetto azzurrastro, a cui venne assegnato il nome mitologico di Nettuno, dio del mare. Le notizie che abbiamo su Nettuno sono quelle del viaggio esplorativo della sonda Voyager 2, durato 12 anni. Dopo lo studio di Urano, nel 1986, nel tragitto di avvicinamento a Nettuno furono fatti notevoli sforzi per sopperire alle crescenti difficoltà della missione. Basti pensare che il pianeta dista dalla Terra 4,5 miliardi di chilometri (ben 1,6 miliardi in più di Urano), per cui è stato necessario potenziare le antenne paraboliche terrestri per migliorare la qualità della ricezione, oltre a modifiche nei programmi software della sonda per migliorare l'impaccamento dei dati da inviare. Altro grande problema era costituito dalla pochissima illuminazione del pianeta (quasi mille volte inferiore a quella terrestre): ciò costringeva lunghi tempi di attesa per le riprese fotografiche, anche oltre 15 secondi. La sonda giunse nei pressi di Nettuno nell'estate del 1989, effettuando importanti ricognizioni e la scoperta di altre sei lune. Terminata l'esplorazione, la sonda ha proseguito il suo viaggio verso la stella Sirio, Caratteristiche fisiche Urano si trova ad una distanza dal Sole di circa 30 volte superiore a quella della Terra e riceve una quantità di luce e calore dal Sole di circa 900 volte inferiore a quella della Terra. La temperatura di Nettuno è molto bassa, mediamente intorno a 55° K. APPUNTI DI SCIENZE della TERRA I pianeti del sistema solare Prof.ssa Patrizia Moscatelli Liceo Scientifico Statale Vito Volterra Pagina 16 di 17 Anche se più piccolo, sono molte le analogie con Urano, soprattutto in considerazione dei valori del diametro e della densità. Questi ultimi risultano piuttosto elevati rispetto alla densità misurata per i giganti Giove e Saturno e ciò implica che Nettuno, pur contenendo grandi quantità di gas e ghiacci d'acqua, metano ed ammoniaca, racchiude nel suo interno anche una buona porzione di elementi pesanti come silicio e ferro. L'asse di rotazione di Nettuno, inoltre, è inclinato verso il sole di circa 29 gradi alternando in questo modo l'esposizione al sole degli emisferi nord e sud: abbiamo quindi un’alternanza delle stagioni, che su Nettuno durano in media 40 anni. Il campo magnetico di Nettuno, come quello di Urano, è molto inclinato rispetto all'asse di rotazione, di 47 gradi, inoltre il suo centro è spostato di almeno 13.500 Km dal centro geometrico del pianeta. Caratteristiche geomorfologiche La struttura di Nettuno è diversa da quella di Giove e Saturno. Essa è probabilmente simile a quella di Urano, cioè il pianeta dovrebbe essere composto di diversi ghiacci e roccia, mentre l'idrogeno costituisce solo il 15% e l'elio è scarso. La grande abbondanza di metano, ed in particolar modo il suo caratteristico assorbimento della luce rossa, conferisce al pianeta il tipico colore azzurro. Diversamente dagli altri pianeti non presenta uno schiacciamento polare, ma appare come un piccolo disco abbastanza rotondo. L'atmosfera di Nettuno è molto simile a quella di Urano, ma molto più attiva, con venti di eccezionale violenza in modo retrogrado, ossia inverso alla rotazione del pianeta, che nascono probabilmente dalla emissione di energia (ossia calore) interna del pianeta che, a differenza di Urano, è di 2,7 volte superiore a quella ricevuta dal Sole. Tale emissione di calore può essere spiegato attraverso l'opera di correnti convettive, osservate già su Urano, che si muovono in maniera radiale rispetto al centro del pianeta e sono in grado di prelevare il calore presente nelle zone più interne e trasportarlo verso la superficie dove viene dissipato nello spazio. Il fatto che tali eccessivi flussi di energia non siano stati registrati provenire da Urano fa comprendere come le correnti convettive che interessano Nettuno debbano essere molto più efficienti. Anche Nettuno possiede delle macchie ovali, di cui la più estesa è la Grande Macchia Scura, un vortice delle dimensioni della Terra sopra il quale manca lo strato di nubi di metano, permettendo una osservazione della superficie del pianeta. L’interno di Nettuno si pensava fosse organizzato in un nucleo roccioso solido circondato da un mantello liquido di acqua, metano ed ammoniaca, sovrastato a sua volta dalla coltre gassosa ricca di idrogeno, elio e metano, che oltremodo sfuma in una più rarefatta atmosfera. Tale modello è in disaccordo con i moti convettivi interni che troverebbero ostacoli nel loro spostamento e conseguentemente nella trasmissione del calore. APPUNTI DI SCIENZE della TERRA I pianeti del sistema solare Prof.ssa Patrizia Moscatelli Liceo Scientifico Statale Vito Volterra Pagina 17 di 17 E’ necessario pertanto ipotizzare l'interno del pianeta composto da materiale distribuito in modo omogeneo, cioè con parte delle rocce, dei ghiacci e dei gas uniformemente miscelati tra loro fino a profondità di molte migliaia di chilometri e comunque fin quasi ai limiti del nucleo. Anche Nettuno è dotato di un sistema di anelli; essi sono sottili e poco luminosi come quelli di Giove e Urano. Se osservati dalla Terra, essi si presentano come deboli archi ai lati del pianeta e solo la sonda Voyager ha potuto rivelare la loro vera natura. Gli anelli sono composti da piccoli grani di polvere, prodotti forse per disgregazione di piccole meteoriti nell'impatto con le lune di Nettuno. Gli anelli di Nettuno sono stati ripresi dal Voyager nel 1989, dalla distanza di 280mila Km. Sono visibili i due anelli principali e, all'interno, un terzo anello più debole. Moti e satelliti Impiega circa 164 anni per percorrere la sua orbita intorno al Sole che risulta quasi circolare. Poco più tardi Lassel scoprì anche il primo satellite del Pianeta, Tritone. Il moto di rotazione è di 15h 48'. I satelliti di Urano sono in tutto otto. Durante la missione della sonda Voyager, oltre alla scoperta delle 6 nuove lune di Nettuno, sono state fatte interessanti scoperte relative al satellite maggiore, Tritone. Il suo moto retrogrado fa pensare che si tratti di un corpo estraneo al pianeta Nettuno, successivamente catturato... Con la sua temperatura di appena 38° K, Tritone è il corpo più freddo sinora esplorato dell'intero Sistema Solare. Tritone possiede un'atmosfera, composta da azoto molecolare e metano ed è un corpo celeste ancora attivo: nelle rilevazioni di Voyager si è potuto osservare chiaramente un geyser in eruzione, con una colonna alta circa 8 Km.
