Mazzoni - Problema acqua - Società Astronomica Italiana

It is mere rubbish, thinking at present of
the origin of life
1809-1882
[…] in some warm little pond, with all sort
of ammonia and phosphoric
salts, light, heat, electricity,
etc. […]
massimo mazzoni
(oh what a big if) we could conceive in
some warm little pond with all sorts of
ammonia & phosphoric salts,—light, heat,
electricity etc. present, that a protein
compound was chemically formed, ready to
undergo still more complex changes, at the
present day such matter would be instantly
devoured, or absorbed, which would not have
been the case before living creatures were
formed.
massimo mazzoni
Il problema dell’acqua
massimo mazzoni
Stilo 2016
massimo mazzoni
Due questioni legate tra loro
+ gradienti ionici, o termici, energia
gravitazionale, o magnetica,
correnti convettive
massimo mazzoni
Maggiore mobilità degli atomi e delle molecole. Maggiore
probabilità di formare nuovi composti.
Capacità di mantenere la densità critica dei reagenti
limitandone la dispersione.
Capacità di contenere l’intervallo termico
entro limiti costanti e di limitare le
fluttuazioni di temperatura.
Ammoniaca? Metano?
massimo mazzoni
Legge di stabilità
Per essere efficiente, un solvente liquido deve restare tale
nella maggior parte delle condizioni ( , ) del pianeta
ospite.
Questo dipende da parametri come:
- Punto di fusione
Soglia sopra la quale la
- Punto di ebollizione
fase liquida non esiste,
per qualsiasi Pressione
- Temperatura critica
- Pressione critica
- Valori dell’Entalpia di
Fusione e di Vaporizzazione
(stabilità del solvente)
massimo mazzoni
Pressione necessaria
per liquefare il gas alla
Temperatura critica
..poiché la maggior parte delle reazioni avviene a pressione (ambientale) costante
e la variazione di Entalpia corrisponde numericamente al calore scambiato
Entalpia di fusione: kJ/mol solido  liquido @ Punto di fusione
Entalpia di vaporizzazione: kJ/mol liquido  gas @ Punto di ebollizione
Significa che è più adatto un solvente che abbia un grande
, ossia un grande intervallo di energie e quindi di
temperature
massimo mazzoni
Polarità, Viscosità
Per agire proprio come un solvente e conservare
l’appropriata configurazione di una macromolecola, è
importante il valore della polarità del solvente,
misurata con il momento di Dipolo (
).
La viscosità (
) è un parametro importante per la
diffusione delle molecole e quindi per favorire le
reazioni.
massimo mazzoni
Propr.
H2O
NH3
HCN
HF
H2S
Punto di
fusione
Punto di
ebollizione
Intervallo
liquido
T critica
P critica
Entalpia
fusione
Entalpia
vaporizz.
Viscosità
Polarità
Probab.
massimo mazzoni
H2SO4 H2O2
N2H4
Propr.
H2O
NH3
HCN
HF
H2S
Punto di
fusione
Punto di
ebollizione
Intervallo
liquido
T critica
P critica
Entalpia
fusione
Entalpia
vaporizz.
Viscosità
Polarità
Probab.
massimo mazzoni
H2SO4 H2O2
N2H4
Propr.
Acqua
Ammo A. ciani A. fluo
niaca
drico ridrico
A. solf
idrico
A. solf
orico
Perossi
do di H
Idruro
di N
Punto di
fusione
°C @ 1 bar
Punto di
ebollizione
°C @ 1 bar
Intervallo
liquido
°C @ 1 bar
T critica
°C
P critica
bar
Entalpia
fusione
kJ /mol
Entalpia
vaporizz.
kJ /mol
Viscosità
10-3 Poise @ TPS = °C & 100 kPa
Polarità
Debye
Probab.
Probabilità di presenza liquida su corpi > 1000 km di diametro nel volume delle
massimo
circa 3000 stelle più
vicine –mazzoni
Bains W., Astrobiology, 4, 137 (2004)
Propr.
H2O
CH4
N2
CH3OH
HCONH2
Formaddide
Punto di
fusione
C2H6
Punto di
ebollizione
Intervallo
liquido
Etano
T critica
P critica
Entalpia
fusione
Metanolo
Entalpia
vaporizz.
Viscosità
Polarità
Probab.
massimo mazzoni
Nel caso della Terra
massimo mazzoni
miliardi
km3
in massa
6 10*24 kg
1.4 10*21 kg
massimo mazzoni
Acqua liquida nel Sistema Solare
massimo mazzoni
Encelado
2R = 500 km
massimo mazzoni
Le piume sono di acqua salata e di vapor d’acqua.
Fuoriescono da crepe sulla superficie di Encelado.
massimo mazzoni
n. 6
Nel 2012 la sonda Cassini (1997) ha
scoperto un oceano di acqua sotto
la superficie di
(1665).
La ricerca, dovuta anche a ricercatori
italiani, ha osservato deformazioni mareali (10 m
ca.) durante l’orbita (16 g) molto ellittica,
incompatibili con un corpo totalmente roccioso o
ghiacciato. L’oceano, posto tra nucleo e crosta, può
essere la riserva di metano che ne mantiene la
presenza nella densa (1.5 atm) atmosfera (4%)
massimo mazzoni
n. 6
Nel 2012 la sonda Cassini (1997) ha
scoperto un oceano di acqua sotto
la superficie di
(1665).
La ricerca, dovuta anche a ricercatori
italiani,
ha osservato
deformazioni
mareali
(10T,mma
Non è possibile
la vita sulla
superficie, data
la bassa
ca.) composti
durante organici
l’orbita potrebbero
(16 g) molto
ellittica,
trovarsi
nell’oceano
incompatibili con un corpo totalmente roccioso o
ghiacciato. L’oceano, posto tra nucleo e crosta, può
essere la riserva di metano che ne mantiene la
presenza nella densa (1.5 atm) atmosfera (4%)
massimo mazzoni
Un recente (2016) studio della Cornell Univ (N.Y.)
afferma che Titano potrebbe essere più favorevole di
Marte per qualche forma di vita microbiotica.
Nonostante la mancanza di acqua
in atmosfera e in superficie.
La luce solare produce acido cianidrico dall’atmosfera di N,
CH4. L’H-CN è considerato un’importante molecola
prebiotica perché anche a bassissima temperatura può
produrre polimeri che sono all’origine degli aminoacidi.
peraltro non ancora osservati
massimo mazzoni
Le forze di marea di Giove e Saturno potrebbero
produrre il calore necessario e mantenere liquida in
profondità l’acqua sotto lo strato di ghiaccio nei loro
satelliti Europa e Encelado.
E la fonte di energia in profondità potrebbe essere,
invece della luce solare, l’ossidazione di sostanze
chimiche inorganiche come il solfuro di idrogeno .
Come avviene per le colonie di microrganismi della
grotta Cueva de Villa Luz, in Messico.
22
Nello stesso anno 2012, all’Istituto del Telescopio Spaziale
hanno proposto un nuovo modello di formazione del
Sistema Solare. Fino ad allora si credeva che la
(distanza dalla stella oltre il quale il suo calore
non scioglie il ghiaccio) fosse interna all’orbita della
,
all’epoca della sua formazione (-4.56 Mld y), e che questa
linea fosse poi migrata verso l’esterno con l’incremento
dell’attività solare.
Nello stesso anno 2012, all’Istituto del Telescopio Spaziale
hanno proposto un nuovo modello di formazione del
Sistema Solare. Fino ad allora si credeva che la
(distanza dalla stella oltre il quale il suo calore
non scioglie il ghiaccio) fosse interna all’orbita della
,
all’epoca della sua formazione (-4.56 Mld y), e che questa
Nel
nuovo
SST la l’esterno con l’incremento
è
linea
fosse
poimodello
migrata verso
sempre stata
esterna alla Terra, che si è formata
dell’attività
solare.
soltanto da detriti rocciosi. L’acqua sarebbe arrivata
in seguito, con le comete. Forse.
Nello stesso anno 2012, all’Istituto del Telescopio Spaziale
hanno proposto un nuovo modello di formazione del
Sistema Solare. Fino ad allora si credeva che la
(distanza dalla stella oltre il quale il suo calore
non scioglie il ghiaccio) fosse interna all’orbita della
,
all’epoca della sua formazione (-4.56 Mld y), e che questa
Nel
nuovo
SST la l’esterno con l’incremento
è
linea
fosse
poimodello
migrata verso
sempre stata
esterna alla Terra, che si è formata
dell’attività
solare.
soltanto da detriti rocciosi. L’acqua sarebbe arrivata
in seguito, con le comete. Forse.
L’acqua si è formata nel disco protoplanetario, insieme
ai corpi del Sistema Solare, grazie anche a reazioni
innescate dal Sole, o era già presente nell’iniziale nube
molecolare da cui sono nati il Sole e il Sistema Planetario?
Il ghiaccio delle nubi interstellari tende ad essere ricco di
a causa della bassa temperatura a cui si forma.
Invece una simulazione di un paio di anni fa (Science)
dell’evoluzione del Sistema Solare, con ghiaccio iniziale
tutto senza
, dopo qualche milione di anni non ha
prodotto l’abbondanza isotopica oggi misurata (
).
L’acqua era già presente prima della formazione del
Sole. La maggior parte della nostra acqua è “antica”.
massimo mazzoni
Grani (
) di polvere interplanetaria raccolti nell’alta
Stratosfera (
) terrestre hanno rivelato minime
quantità d’acqua nelle ‘cavità’ dei grani (Livermore Nat.
Lab., 2014).
Sarebbero dovute al
che con la sua energia
scioglie (eliolisi) i legami di e dei silicati, ed inoltre
contribuisce con ioni .
Il fenomeno dovrebbe essere generale e quindi verificarsi
per molti altri sistemi stellari, con conseguenze per l’origine
o il mantenimento della vita, anche se si tratta
evidentemente di un contributo minimo. Acqua “moderna”
massimo mazzoni
L’analisi del vapore d’acqua della cometa ha misurato un
rapporto D:H come
. Sulla Terra il valore per l’acqua
è
:
= 3200 ossia : = 1:6400 (
).
Anche la Halley aveva un rapporto D:H troppo alto, quindi
si escludeva che l’acqua terrestre fosse stata portata da
comete a lungo periodo. Il D:H terrestre era compatibile
invece con quello di alcune comete trans-nettuniane. Ma
la 67/P proviene dalla fascia di Kuiper…
Adesso allora l’ipotesi principale è la nostra acqua sia stata
portata dagli asteroidi, perché quella della comete è di un
massimo mazzoni
altro tipo.
E’ un confine termodinamico entro il disco circumstellare
di gas e polvere dove i planetesimi iniziano ad aggregarsi.
All’interno del confine (sfumato) il calore della stella
mantiene l’acqua allo
, mentre oltre il limite
a causa della bassa pressione le molecole d’acqua
condensano (gas  solido) sui grani di polvere coprendoli
con un guscio di
. In tal caso formano poi grosse
palle di neve che evolvono in pianeti massicci e gassosi.
Di solito la linea di neve ha dimensione di qualche unità
astronomica ed è troppo vicina alla stella per essere
osservabile.
massimo mazzoni
Il suo disco
protoplanetario è
perpendicolare alla
linea di vista.
2013
E’ stato possibile
fare una mappa del
monossido di C
ghiacciato e stabilire
la sua linea di neve.
Misurando con
Nana
arancionedi
ALMA l’emissione
associato al
CO
Preghiacciato,
– MS che
invece dà risultati
M = 0.8 M
imprecisi.
10 Mln y
La linea di neve del
@180 a-l
CO si trova a
.
TW Hydrae
Sole-Nettuno
massimo mazzoni
e una ½
conferma
Il suo disco
protoplanetario è
perpendicolare alla
linea di vista.
2013
E’ stato possibile
fare una mappa del
monossido di C
ghiacciato e stabilire
la sua linea di neve.
Misurando con
Nana
arancionedi
ALMA l’emissione
372 GHz
associato al
CO
Preghiacciato,
– MS che
invece dà risultati
M = 0.8 M
imprecisi.
10 Mln y
La linea di neve del
@180 a-l
CO si trova a
.
TW Hydrae
Sole-Nettuno
massimo mazzoni
e una ½
conferma
Solco nel disco di gas
e polvere, dovuto a
possibile pulizia
gravitazionale da
parte di un protopianeta (6 – 30
masse terrestri)
Camera N-IR dell’HST, 2005
massimo mazzoni
Il progetto è iniziato nel 1999, e prevedeva
32 antenne da 12 metri ciascuna
25
32 antenne da 12 metri ciascuna
25
16 antenne ausiliare più piccole
massimo mazzoni
La Linea di Base
che è come dire la Distanza tra 2 Antenne
Ma anche: quanti confronti tra segnali si possono fare
Il numero di linee di base, e la loro lunghezza,
è un fondamentale parametro di qualità nell’
osservazione con le matrici di radiotelescopi.
Le
di
occuperanno fino a un
cerchio del diametro di
, e formeranno
.
massimo mazzoni
La Linea di Base
che è come dire la Distanza tra 2 Antenne
Ma anche: quanti “confronti” tra segnali si possono fare
1 solo “confronto”
3 interferenze
6 interferenze
10 interferenze.. etc etc..
massimo mazzoni
La consegna delle prime antenne è avvenuta nel 2007
L’inaugurazione è stata nel marzo 2013
Quando osservano lo stesso oggetto, devono essere
coordinate al secondo.
per spostare le antenne
massimo mazzoni
Linea di neve, quella dell’acqua
Strumento: Radiotelescopio ALMA
Costellazione: Orione
Stella: V883 con disco protoplanetario
Come pubblicato su Nature, un improvviso aumento della
luminosità della stella ha scaldato la parte interna del
disco portando la linea a
(orbita di Plutone).
E’ la prima osservazione di questo tipo.
massimo mazzoni
Linea di neve
L’esplosione dovrebbe essere dovuta alla caduta di molto
materiale in orbita intorno alla stella sulla sua superficie.
La stella, con
, adesso
ha una luminosità
massimo mazzoni
Linea di neve
L’esplosione dovrebbe essere dovuta alla caduta di molto
materiale in orbita intorno alla stella sulla sua superficie.
La stella, con
, adesso
ha una luminosità
massimo mazzoni
Almeno sulla Terra..
..il solvente più adatto per la vita è l’acqua.
Probabilmente la sua proprietà più importante è la
struttura polare: si confronti p. es. con l’anidride carbonica
o con l’ammoniaca
polare, ma molto
meno dell’acqua
o col metano
La polarità unisce le molecole d’acqua col legame tra
idrogeno e ossigeno, favorendo la polimerizzazione.
massimo mazzoni
H-O
0.01 °C @ TPS
Grazie al legame idrogeno, si innalzano i punti di
congelamento e di ebollizione dell’acqua, con ovvie
conseguenze.
Il punto triplo dell’acqua è molto vicino alla temperatura
media della Terra [ ], con ovvie conseguenze.
Il coefficiente di dilatazione termica dell’acqua ha
un’anomalia a 4° centigradi, con ovvia conseguenza.
L’acqua ha un’alta capacità termica e quindi si comporta
sia da moderatore termico, sia da isolante termico.
Sono ovvie le conseguenze.
14.4 °C @ TPS
massimo mazzoni
Bains, 2004
Stima della presenza di liquidi, in funzione della distanza,
attorno ad una stella di tipo solare
cellula batterica
cellula batterica
Moderatore Termico
L’alta capacità termica (calore specifico) permette all’acqua di
rimanere liquida per un ampio intervallo di temperature, proprio
per i valori medi terrestri di e (già detto)
L’acqua è un buon isolante termico. Questo stabilizza la
temperatura intercellulare e, per gli animali che vivono nell’aria, è
un importante meccanismo di dissipazione del calore in eccesso.
I punti & proteggono gli organismi che vivono nell’acqua da
rapide o eccessive fluttuazioni di temperatura.
Inoltre la dilatazione anomala a
garantisce il riequilibrio interno
del calore a bassa temperature, ed impedisce il congelamento
completo di bacini profondi, salvaguardando la vita multicellulare.
massimo mazzoni
Fringe Benefits
mN/m
Il valore relativamente alto della tensione
acqua
72
superficiale dell’acqua provoca il formarsi di metanolo 23
piccole gocce, che favoriscono le reazioni
ammoniaca 15
tra i composti che contengono. Inoltre l’alto
valore della t. s. è all’origine della capillarità, v. le piante..
Un altro vantaggio della presenza estesa dell’acqua è la
protezione del pianeta contro la radiazione esterna ad
alta energia. I fotoni UV dissociano le molecole rilasciando
Ossigeno e Idrogeno nell’atmosfera. Parte dell’Ossigeno
forma molecole di Ozono, che è un eccellente assorbitore
di radiazione
. Fenomeno a retroazione negativa.
massimo mazzoni
Bignami
L’acqua è il solvente ideale per i sistemi che costituiscono
la vita sulla Terra, con i suoi valori prevalenti dei parametri
fisico-chimici.
Sotto diversi valori di questi parametri, altri solventi
possono più facilmente trovarsi allo stato liquido , e/o
risultare più vantaggiosi per chimiche complesse.
Per esempio in letteratura ci sono studi su:
(1.42 D),
(2.98 D),
(1.69 D). Forse anche
(0.97 D)
o
(1.62 D) o perfino, in opportune condizioni,
e
, anche se non sono polari.
massimo mazzoni
Bignami
L’acqua è il solvente ideale per i sistemi che costituiscono
la vita sulla Terra, con i suoi valori prevalenti dei parametri
fisico-chimici.
Sotto diversi valori di questi parametri, altri solventi
possono più facilmente trovarsi allo stato liquido , e/o
risultare più vantaggiosi per chimiche complesse.
Per esempio in letteratura ci sono studi su:
(1.42 D),
(2.98 D),
(1.69 D). Forse anche
(0.97 D)
oOvviamente,
(1.62 D) sotto
o perfino,
in opportune
condizioni,
e
diverse
condizioni fisico-chimiche
ed
, anche
sonosolvente,
polari. l’evoluzione e le
entrose
unnon
diverso
trasformazioni delle biomolecole porterebbero a sistemi
biochimici diversi da quelli che conosciamo sulla Terra
massimo mazzoni
Biochimiche alternative
massimo mazzoni
Il mezzo interstellare è ricco di complesse molecole organiche
LeDense
osservazioni
radio hanno
individuato
120 tipi di (10-20
molecole
nubi molecolari
a bassissima
temperatura
K)
Disono
queste,
la maggior
parte
contienecomplesse.
Carbonio (70%)
ricche
di molecole
organiche
In passato si credeva che il Silicio, anch’esso con 4 valenze,
potesse essere una valida alternativa per organismi biotici.
Le 10 molecole con Si scoperte (SiN, SiO, SiS, SiC2, SiCN,
SiC3, SiH, SiH4, SiC, SiC4) hanno tutte un solo atomo di Silicio
la Nebulosa
di Cavallo,
Orione, a 1500
AL
E’Come
solo perché
c’è unTesta
fattore
10 nelle in
abbondanze
relative?
massimo mazzoni
Il mezzo interstellare è ricco di complesse molecole organiche
Le osservazioni radio hanno individuato 120 tipi di molecole
Di queste, la maggior parte contiene Carbonio (70%)
cianopentacetilene HC11N
fullerene stabile C60
In passato si credeva che il Silicio, anch’esso con 4 valenze,
potesse essere una valida alternativa per organismi biotici.
Le 10 molecole con Si scoperte (SiN, SiO, SiS, SiC2, SiCN,
SiC3, SiH, SiH4, SiC, SiC4) hanno tutte un solo atomo di Silicio
E’ solo perché c’è un fattore 10 nelle abbondanze relative?
massimo mazzoni
Nel Golfo del Messico, a 500 metri di profondità, si trovano grandi
cumuli di
(clatrato di metano) mischiato a
cristalli di
, con tracce di
.
Nel 1997 si è scoperto che vi sono esseri viventi anche qui…
Hesiocaeca
methanicola
massimo mazzoni
individui / m2
Si nutrono di batteri, e sfruttano l’energia chimica del
al posto di quella della luce solare.
Possono stare alcuni giorni senza
.
Potrebbero vivere su Titano, o su Nettuno, o
su altri corpi alla
periferia del
Sistema Solare.
O su altri pianeti
anche se lontani
dalla propria
stella. Bastano
Metano e Acqua.
3 cm
e dei
Fine
massimo mazzoni