L’origine dell’acqua sulla Terra
L’acqua è una sostanza indispensabile per la vita
sul nostro pianeta e gli studiosi si sono da tempo
interrogati su quale sia la sua origine.
L’ipotesi più seguita dagli scienziati fino a
qualche anno fa era che l’acqua provenisse dalle
comete, corpi ghiacciati che si muovono per la
maggior parte del tempo all’estrema periferia
del Sistema solare.
Oggi, grazie allo studio delle meteoriti e degli
isotopi dell’idrogeno presenti nelle molecole
1 La formazione
dei pianeti
La nascita dei pianeti avviene
contemporaneamente a quella
delle stelle. Vediamo che cosa
accade.
Intorno alle stelle in formazione è presente un disco di
gas, costituito essenzialmente
da idrogeno (H2) ed elio (He).
All’interno del disco, sono presenti anche gli altri elementi
chimici e si sono già formati alcuni composti, il cui stato di
aggregazione (aeriforme, liquido, solido) dipende dalle loro
temperature di evaporazione,
di fusione e di solidificazione e
dalle condizioni di temperatura
e pressione nel disco.
Le sostanze che, all’interno
del disco di gas si trovano allo
stato solido, formano dei grani
di polvere. Unendosi tra loro
d’acqua, si ritiene che essa sia arrivata sulla Terra durante la formazione del pianeta, portata da
asteroidi, piccoli corpi principalmente rocciosi,
in orbita attorno al Sole, distribuiti in una «cintura» tra Marte e Giove.
In particolare sarebbero stati gli asteroidi
della parte più esterna della cintura, che hanno
una massa formata per il 5% da acqua, ad aver
contribuito maggiormente all’arrivo di questa
sostanza sul nostro pianeta.
grazie alle forze di attrazione
elettrostatica e alla forza di gravità, le polveri si accrescono fino a formare dei corpi, detti
planetesimi, le cui dimensioni
possono raggiungere un diametro di centinaia di kilometri.
Dato che la temperatura nel
disco non è costante, ma diminuisce allontanandosi dalla
stella centrale, i planetesimi
che si formano vicino alla stella
sono costituiti da sostanze che
possono condensare già a temperatura elevata (dette sostanze
refrattarie, come ad esempio
Zr, Al, Ti, Ca, Si e i silicati di
magnesio Mg2SiO4, MgSiO2).
I planetesimi che si formano
lontano dalla stella centrale
contengono invece anche sostanze volatili, che solidificano
solo a bassa temperatura. Tra
queste, la più importante è l’ac-
disco di gas e polveri
qua che, alla pressione alla quale si trova il gas che forma il disco, condensa in ghiaccio a una
temperatura inferiore ai 200 K.
I planetesimi, a seguito di
continue collisioni, si aggregano in corpi di dimensioni maggiori, fino a dare origine ai pianeti. Nel caso del Sistema solare, si stima che i planetesimi abbiano cominciato a formarsi
4,568 miliardi di anni fa. I pianeti più vicini al Sole (Mercurio, Venere, Terra, Marte) hanno completato la loro formazione in alcune decine di milioni di
anni; i pianeti più lontani (Giove, Saturno, Urano, Nettuno),
invece, si sono formati più rapidamente, in alcuni milioni di
anni, probabilmente grazie alla
maggiore quantità di materia
solida già presente (dovuta alla
formazione dei ghiacci).
씰 VEDI ANCHE…
Unità C2 • PARAGRAFO 2:
La tavola periodica degli elementi
Unità C3 • PARAGRAFO 5:
La struttura degli atomi
Gli asteroidi (piccoli corpi
rocciosi distribuiti in una cintura tra Marte e Giove) e le comete – che orbitano oltre Nettuno – sono ciò che resta dei
planetesimi che hanno originato tutti i pianeti del Sistema solare.
QUESITI
1 Quali elementi sono presenti nel
disco di gas?
2 Che cosa si intende con «sostanze refrattarie»?
3 Che cosa si intende con «sostanze volatili»?
LEGGI L’IMMAGINE
4 Che cosa c’è al centro del disco di
gas?
Circa il 10% delle stelle simili al Sole sono accompagnate da pianeti
giganti (tipo Giove). La frazione delle stelle circondate da pianeti
rocciosi come la Terra dovrebbe essere ancora maggiore (questi
pianeti potranno essere scoperti con il miglioramento delle tecniche di osservazione, che permetteranno la scoperta di pianeti sempre più piccoli).
ATTIVITÀ
Disegna tre modelli atomici
Prendi spunto dalle figure del paragrafo 5 dell’unità C3 e disegna tre modelli che rappresentino gli isotopi dell’idrogeno.
planetesimi
in formazione
1
CHIMICA
Lupia Palmieri, Parotto, Saraceni, Strumia, Scienze naturali © 2011, Zanichelli editore S.p.A.
2 L’acqua nel Sistema
solare
Al momento della formazione
del nostro pianeta, la temperatura del disco di gas, a una distanza di circa 150 milioni di
kilometri dal Sole (cioè la distanza a cui si trova la Terra),
era troppo elevata per permettere la condensazione dell’acqua. I planetesimi che hanno
dato origine alla Terra dovevano, quindi, essere formati da
composti refrattari e non contenere acqua.
Oggi, grazie allo studio delle
meteoriti (frammenti di asteroidi che cadono sulla Terra),
sappiamo che i planetesimi situati nella parte più interna
della cintura degli asteroidi – a
circa 300 milioni di km dal Sole
– sono anch’essi privi di acqua.
Invece, quelli che si trovano
nella parte più esterna della
cintura, tra i 400 e i 500 milioni
di km dal Sole, sono ricchi di
acqua (questa rappresenta circa il 5% della loro massa complessiva).
Allontanandoci ancora dal
Sole, oltre i 750 milioni di kilometri, si trovano i satelliti dei
pianeti giganti (Giove, Saturno, Urano e Nettuno) e le comete, la cui massa è rappresentata per circa il 50% da ghiaccio d’acqua e per la restante
metà da rocce.
ha lo stesso rapporto isotopico
dell’acqua sulla Terra.
Ciò suggerisce che l’acqua
provenga dagli asteroidi della
cintura esterna. Le simulazioni
al calcolatore della formazione
del Sistema solare confermano
che la Terra, verso la fine del
suo processo di accrescimento,
ne avrebbe incorporato un numero sufficiente.
Le comete, invece, che hanno una probabilità di collisione
con la Terra molto bassa, possono aver portato al massimo il
5% dell’acqua attualmente presente sul nostro pianeta.
1 Si ritiene che i planetesimi che
hanno originato la Terra contenessero acqua?
2 Quali planetesimi sono ricchi
d’acqua?
LEGGI L’IMMAGINE
3 Quali caratteristiche presentano
i planetesimi della parte interna
della cintura degli asteroidi?
4 Quello raffigurato è un asteroide
della parte interna o di quella
esterna della cintura?
5 Da che cosa trae origine la chioma delle comete?
L’asteroide Itokawa fotografato dalla
sonda Hayabusa dell’Agenzia spaziale giapponese ha una lunghezza di
535 m. È formato da rocce ed è privo
di acqua. Proviene dalla parte interna (più vicina al Sole) della cintura
degli asteroidi. Degli asteroidi della
cintura esterna non esistono immagini ravvicinate perché non sono mai
stati raggiunti da sonde spaziali.
3 L’acqua sulla Terra
Vista la distribuzione dell’acqua nel Sistema solare, si pensava che quella presente sulla Terra fosse stata portata da comete
entrate in collisione con il nostro pianeta. Studi recenti sulla
composizione isotopica dell’acqua hanno messo in discussione questa ipotesi.
In natura esistono tre isotopi
dell’idrogeno (che ha numero
atomico Z⫽1): l’idrogeno propriamente detto (H) con numero di massa A⫽1, il deuterio
(D) con A⫽2 e il trizio (T) con
A⫽3.
Le molecole di acqua più abbondanti sono quelle di formula chimica H2O e, in misura minore, HDO. Sulla Terra su
1 000000 di molecole di acqua
150 sono di HDO.
Le osservazioni astronomiche più recenti hanno mostrato
che l’acqua sulle comete ha un
rapporto isotopico circa doppio di quello della Terra. L’acqua degli asteroidi che si trovano nella cintura esterna, invece,
QUESITI
Le comete sono formate per il 50%
della loro massa da ghiaccio d’acqua.
Quest’ultimo, quando le comete si
avvicinano al Sole, sublima, originando la chioma, che dà alle comete
il tipico aspetto. Questa fotografia
della cometa Hartley 2 (ripresa dalla
sonda Epoxi della NASA) mostra i
getti di vapore che si allontano dalla
superficie.
Terra
asteroide
cometa
Nell’acqua presente
sulla Terra, su 6667
molecole, 1 è del
tipo HDO.
Anche nell’acqua
presente sugli
asteroidi su 6667
molecole d’acqua,
1 è del tipo HDO.
Nell’acqua che
proviene dalle
comete, su 6667
molecole, 2 sono
del tipo HDO.
QUESITI
1 Da dove proviene l’acqua presente sulla Terra?
2 Quale prova è portata a favore di
questa ipotesi?
H2O
O
H
H
LEGGI L’IMMAGINE
3 Quali sono gli isotopi dell’idrogeno?
4 Quali sono le formule chimiche
possibili per l’acqua?
Lupia Palmieri, Parotto, Saraceni, Strumia, Scienze naturali © 2011, Zanichelli editore S.p.A.
HDO
O
H
D
U N I T À C 5 • L’acqua e le sue proprietà
2
