Andiamo più a fondo nella conoscenza del nostro Sistema Solare!

Andiamo più a fondo nella conoscenza
del nostro Sistema Solare!
Come abbiamo visto nelle pagine precedenti il Sistema Solare è un insieme di
molti corpi celesti, diversi fra loro. La sua forma complessiva è quella di una sfera di
migliaia e migliaia di unità astronomiche. Abbiamo anche visto come questa sfera
racchiuda diversi sottosistemi: all’esterno la nube di Oort, più all'interno, la fascia di
Kuiper ed infine, ancora più all’interno, la zona dei pianeti con il Sole al centro.
Ma come stanno assieme tutti questi corpi e quali sono i loro mutui rapporti,
insomma che succede nel Sistema Solare?
Il nome “Sistema Solare” avrebbe già dovuto insospettirvi: ci indica senza alcuna
ambiguità il fatto che il Sole è il vero regolatore di tutto il sistema di pianeti, satelliti,
comete e via discorrendo. Studiandolo possiamo capire come "funziona" il
sistema Solare e perché.
Il Sole è una stella di tipo G2V (si legge g due quinta), una designazione che gli
astronomi danno a stelle come la nostra, relativamente piccole e tranquille, con
una vita cioè regolare e non troppo agitata, e di colore verso il giallo-rosso.
Anticipiamo qualcosa sul Sole, studieremo le stelle più avanti, per capire la sua
fondamentale azione nel Sistema che da lui prende il nome.
Anche se come stella è relativamente piccola il Sole, rispetto alle dimensioni della
Terra, è decisamente un gigante. Il suo diametro è di 1.391.980 chilometri, contro i
12.756 chilometri della Terra. Il volume del Sole é più di 1.300.000 volte maggiore di
quello della Terra.
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E’ quindi una gigantesca palla di gas con
temperatura e densità che crescono dall'esterno,
dove abbiamo una temperatura di 6-7.000 gradi
ed una densità di poche particelle nucleari per
centimetro cubo. Al suo centro pensiamo invece
che vi siano temperature di 14-15 milioni di gradi e
che il gas abbia una densità di 150 grammi al
centimetro cubo (150 volte più denso dell’acqua e
30 volte più denso della roccia) La sua massa
complessiva circa 33.000 volte quella della Terra.
Il Sole produce energia al suo interno, nel cosiddetto nucleo, grazie alle reazioni di
fusione nucleare. In questa zona, possiamo pensare ad un nocciolo di un frutto, la
densità è elevatissima, ovvero le particelle di materiale, in gran parte idrogeno,
stanno molto vicine una all’altra e, dato che si muovono in tutte le direzioni, si
urtano continuamente, portando la temperatura a diversi milioni di gradi.
In queste condizioni avviene la fusione
nucleare: 4 nuclei dell’atomo di idrogeno
si “fondono” assieme e formano un nucleo
di elio. In questa reazione nucleare però
una parte della massa, in sovrappiù, viene
convertita in energia.
La formula corrispondente è arcinota ed è
dovuta ad Albert Einstein, uno dei più
famosi fisici di tutti i tempi vissuto nel
secolo passato: E=mc2.
In questa formula m è la massa, e c la velocità della luce nel vuoto (300.000
chilometri al secondo).
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Si vede quindi che, anche se la massa è molto piccola, la quantità di Energia
corrispondente è molto grande. Per avere una idea di quello che avviene nel
nucleo del Sole, ogni secondo, 600 milioni di tonnellate di idrogeno vengono
trasformate in 596 milioni di tonnellate di Elio. La differenza viene trasformata in
energia che inizia il suo lento cammino verso la superficie, passa i vari strati di gas
sempre meno denso (pensiamo agli strati di una cipolla per averne una idea) ed
alla fine, qualche milione di anni dopo, arriva alla superficie del Sole e da lì viene
emessa in tutto lo spazio. Questa energia impiega altri 8 minuti per arrivare sulle
nostre teste, ma è quella prodotta dal Sole qualche milione di anni prima! Per
arrivare a Plutone, il più distante dei pianeti, impiega circa 320 minuti, mentre per
arrivare ai confini della Nube di Oort ed uscire dal Sistema Solare impiega circa 6
giorni.
Date le temperature in gioco sia al centro
(milioni di gradi) che sulla superficie del Sole
(migliaia di gradi) alcune particelle vengono
“strappate” dal Sole stesso ed emesse nello
spazio circostante. Il flusso di queste particelle
viene chiamato “vento solare”.
Per avere una idea, alla distanza della Terra il vento Solare conta circa 8 particelle
per centimetro cubo. Quindi il Sole, oltre che radiazione emette anche particelle
elementari, soprattutto protoni ed elettroni.
Nel nucleo dunque viene prodotta una grande quantità di energia, che viene poi
trasportata verso la superficie. Questo fa sì che nel Sole vi siano delle grandi zone
elettricamente cariche. Dato che il Sole gira su sé stesso, la presenza di queste
zone elettricamente cariche fa sì che si produca un intenso campo magnetico. Un
po’ come avviene nelle “dinamo” delle nostre biciclette.
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Per capire bene come funziona il Sistema Solare, ci bastano queste
considerazioni:
1. Il nostro Sole ha una massa enorme, rispetto alla nostra esperienza
quotidiana : 33.000 volte quella della Terra;
2. emette continuamente energia sotto orma di radiazione (come 400 milioni
di centrali nucleari)
3. emette continuamente un flusso di particelle : 8 particelle per cm3 alla
distanza della Terra;
4. è dotato di un campo magnetico piuttosto forte.
Con queste quattro considerazioni siamo in grado di capire molto più a fondo il
Sistema Solare.
Iniziamo dalla prima, per considerare le conseguenze che comporta. La massa
del Sole è preponderante nel Sistema Solare, rappresenta infatti il 99.65 % del
totale. Tutti gli altri corpi presenti nel sistema: pianeti, satelliti, migliaia e migliaia di
asteroidi, miliardi di nuclei cometari, nubi di polveri etc. assommano, tutti assieme,
a meno dello 0,4 % del totale. Una inezia.
Questi numeri ci fanno quindi capire bene come l’attrazione gravitazionale
esercitata dal Sole su tutti gli altri corpi sia quella preponderante e fondamentale
per comprendere come è regolato il moto dei singoli corpi.
Questa frase, detta così, può sembrare assai oscura. Fermiamoci a considerare
l’attrazione gravitazionale. Lasciamo da parte per un momento il Sole e torniamo
sulla Terra. Se abbiamo una penna o una palla o un gelato in mano e li lasciamo
questi cadono ai nostri piedi. È la nostra esperienza comune, talmente frequente e
costante nella nostra vita che non ci facciamo caso. Fra i vari oggetti, e la Terra,
esiste un rapporto di mutua attrazione. Certo quello che noi vediamo è che la
penna, ad esempio, viene attratta dalla Terra e ci riesce molto difficile pensare
che la penna attragga la Terra. Questo perché le masse in gioco sono tanto
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diverse che l’attrazione esercitata dalla penna è enormemente inferiore a quella
esercitata dalla penna.
Proviamo a fare un paragone.
Sostituiamo alla penna un ragazzo che tira una
fune, all'altro capo mettiamo cento ragazzi che
tirano
la stessa fune in senso contrario e
supponiamo che tutti i ragazzi siano grandi e forti
egualmente.
Chiaramente i cento ragazzi riusciranno a
spostare verso di loro il ragazzo da solo. Ma anche
il ragazzo da solo riuscirà a spostare, molto di
meno,
il
gruppo
di
ragazzi,
tanto
che
praticamente non ce ne accorgeremmo.
L’unica differenza è che tra la Terra e la penna non ci sono corde, si tratta di
un’azione a distanza. La nostra semplice esperienza ci dice che la Terra, grazie
alla sua massa, esercita sugli altri corpi un’attrazione costante, che viene
chiamata attrazione gravitazionale. Maggiore è la massa del corpo che
consideriamo, maggiore è l’attrazione che questo corpo esercita sugli altri.
Già ma se la penna non c'è? In altre parole immaginiamo per un momento che
la penna che teniamo in mano sparisca improvvisamente, che succede in quel
punto dello spazio in cui era?
In quel punto resta comunque definita una proprietà, tale per cui, se rimettiamo in
quel punto la penna, o un altro corpo, questo viene attratto dalla Terra e, se lo
lasciamo, cade.
In quel punto insomma, verifichiamo la esistenza di una proprietà: se ci mettiamo
un corpo questo risentirà di una forza dovuta alla attrazione gravitazionale.
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Possiamo fare una prima astrazione
importante: ogni corpo, per il fatto di avere
massa, esercita un’azione di attrazione
gravitazionale verso ogni altro corpo. Ogni
corpo definisce nello spazio circostante un
"campo" di forze, dato che, se poniamo un
secondo corpo in un qualunque punto
dello spazio, esso verrà attratto e, come
abbiamo visto, la attrazione sarà tanto
maggiore quanto maggiore è la massa del
corpo che crea il campo (la sorgente di
campo).
Ora possiamo tornare al nostro Sole. Avendo una massa tanto cospicua creerà un
campo gravitazionale molto intenso che si espande in tutto il Sistema Solare. Tutti
gli altri corpi risentono di quest’attrazione esattamente come la penna che
tenevamo in mano poco fa risentiva del campo gravitazionale terrestre.
Ovviamente anche tutti gli altri corpi, dai pianeti ai satelliti agli asteroidi, creano a
loro volta un campo gravitazionale, ma assai più modesto, dato che la loro massa
è enormemente minore di quella del Sole.
Ma chiediamoci un momento: perché la Terra e tutti gli altri pianeti, asteroidi,
comete etc. non cadono sul Sole ma ci orbitano attorno?
La spiegazione è ovviamente molto complicata, dovremmo sapere bene tutta la
storia del Sistema Solare, che ha quasi 5 miliardi di anni, ma possiamo farcene
comunque una idea corretta in modo semplice. Prendiamo di nuovo la nostra
penna (per questa esperienza sarebbe meglio sostituirla con qualcosa che non si
rompa, ad esempio una pallina o una gomma per cancellare). Teniamola in
mano e ora lasciamola. Ci cade a terra esattamente sulla verticale del punto da
cui la abbiamo lasciata.
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Ora lanciamola distante con poca
forza, cadrà un po’ più in là. Se
ripetiamo,
fin
che
possiamo,
l’esperienza, ci rendiamo conto che la
gomma cade sempre più in là rispetto
alla posizione, tanto maggiore è la
forza che saremo riusciti a trasmettere
al momento del lancio.
Possiamo pensare che, se riuscissimo a dargli una sufficiente velocità iniziale la
gomma resterebbe in orbita attorno alla Terra.
E’ esattamente quello che
succede ai pianeti, asteroidi e comete. Evidentemente il loro stato di moto, al
momento della formazione del sistema solare, è stato tale da poter contrastare a
sufficienza la forza di attrazione del campo prodotto dal Sole. Non abbastanza da
poter “scappare”, ma a sufficienza per poter “non cadere” sul Sole stesso e girarci
intorno nelle loro rispettive orbite.
Esaminiamo l’altro campo importante prodotto dal Sole: il campo magnetico.
Questo lo possiamo fare molto semplicemente. Procuriamoci una calamita, un
pezzettino di ferro molto più leggero della calamita, un foglio di carta e della
limatura di ferro.
Mettiamo su una superficie molto liscia (marmo, plastica molto liscia) che crei il
minimo attrito, la calamita. Poniamo il pezzetto di ferro ad 1 centimetro, più o
meno. Verrà attratto dalla calamita e vi si attaccherà. Ora proviamo con 2
centimetri, il fenomeno si ripeterà, e così via aumentando di volta in volta la
distanza.
Man mano che allontaneremo il pezzetto di ferro avremo la sensazione che la
forza che agisce su di lui, dovuta al campo magnetico creato dalla calamita, sia
minore. Tanto che, ad una certa distanza, il pezzettino di ferro non riuscirà a
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muoversi verso la calamita: la forza di attrazione sarà troppo debole per spostarlo
verso la calamita.
Possiamo pensare quindi che il campo di forza creato dalla calamita dipenda
dalla distanza dalla calamita stessa. Se potessimo fare le cose in modo molto
accurato troveremmo che il campo magnetico, così come quello gravitazionale,
dipende dalla distanza e, in particolare, dall’inverso del quadrato della distanza.
Detto in altre parole il campo magnetico, così come quello gravitazionale,
diminuisce molto rapidamente man mano che ci allontaniamo dalla sorgente del
campo.
Se vogliamo averne una riprova, e vedere
anche la “forma” del campo magnetico,
poniamo un foglio di carta un po’ spesso
sopra alla nostra calamita e versiamoci
sopra la limatura di ferro. Vedremo che essa
si dispone secondo degli archi che partono
e ritornano alla calamita stessa, e che la
limatura si “dirada” man mano che ci
allontaniamo dalla calamita. Quelle che
“vediamo”, grazie alla limatura di ferro, sono
le linee di forza del campo magnetico.
Quanto abbiamo appreso sul campo magnetico ci aiuta a capire anche
qualcosa di più sul campo gravitazionale. I due campi sono dovuti a fenomeni
diversissimi. In particolare il campo gravitazionale creato da un corpo dipende
solo dalla sua massa, tanto maggiore la massa, tanto maggiore la intensità del
campo. Occorre fare però molta attenzione a come si utilizza questa nuova
conoscenza che abbiamo. Ad esempio, chiediamoci perché, dato che la massa
del Sole è enormemente superiore a quella della Terra, la Luna non “cade” sul
Sole, o la penna che tenevamo in mano poco fa, quando la lasciamo, cade a
Terra invece di andare a finire anch’essa attratta dal Sole. Il Sole ha una massa
enormemente più grande della Terra, ma la sua distanza dalla Luna o dalla penna
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è enormemente più grande di quella della Terra e quindi, in quel punto “vince” il
campo di attrazione gravitazionale della Terra. E’ quindi importante considerare la
distanza a cui ci troviamo dal corpo che produce un certo campo gravitazionale.
La nostra conoscenza del Sistema Solare è aumentata di parecchio. Ora
sappiamo che il Sole è il regolatore principale del Sistema: i pianeti, gli asteroidi, le
comete, risentono in modo fondamentale dell’azione del suo campo
gravitazionale. Le orbite di tutti questi corpi
sono determinate proprio dalla
combinazione della forza di attrazione gravitazionale del Sole e dalla loro velocità.
Anche se la Terra e gli altri pianeti hanno masse molto minori del Sole, e di
conseguenza hanno campi gravitazionali assai più modesti, essi riescono a
trattenere in orbita i loro satelliti, come la Terra fa con la Luna, perché nelle
vicinanze del pianeta il campo gravitazionale da lui generato è maggiore di
quello solare, e questo è tanto più vero quanto più il pianeta è distante dal Sole.
In altre parole, in ogni punto del Sistema Solare, da Mercurio, vicinissimo al Sole,
all’estremità della lontanissima nube di Oort, per capire la situazione occorrerà
fare un bilancio fra campo di attrazione gravitazionale solare, eventuale campo
di qualche pianeta o altro corpo.
Ci resta da sistemare, per completare il quadro che stiamo facendo, la radiazione
che il Sole emana e il vento solare, ovvero il flusso di particelle nucleari.
Della radiazione parleremo diffusamente quando incontreremo le stelle, ma già
ora possiamo dire il punto essenziale, ovvero che varia in un modo simile ai campi
gravitazionale e magnetico, ovvero cala molto rapidamente con la distanza. Per
sincerarsene è sufficiente che facciamo un semplice esperimento con una
lampadina, ad esempio da tavolo e la nostra mano. Senza mai arrivare a toccare
la lampadina (potremmo scottarci!) avviciniamo pian piano la mano da circa un
metro fino a una diecina di centimetri. Poi togliamo la mano e lasciamo passare
un minuto, in modo che possa tornare alla sua temperatura normale. Ripetiamo
l’esperienza ripartendo ora da vicino alla lampadina e allontanando la mano.
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Avremo, col calore della lampadina, una sensazione simile a quella che abbiamo
avuto con la calamita ed il pezzetto di ferro, ovvero che il campo, questa volta di
radiazione, sia molto intenso vicino alla sorgente ma diminuisca molto
rapidamente con la distanza.
Egualmente succede con il vento solare: il numero di particelle diminuisce molto
rapidamente, per unità di superficie,con la distanza. Questo è ancora più
semplice da capire. Pensiamo ad una specie di macchina che proietta palle da
tennis in tutte le direzioni e a una distanza enorme. Se poniamo un cerchio di 1
metro di diametro a 1 metro dalla sorgente di palle da tennis ne raccoglieremo un
bel po’ , se ci spostiamo a 2 metri ne raccoglieremo di meno perché il “fascio” di
palle da tennis avrà incominciato ad aprirsi, a 3 metri ancora meno e così via.
Abbiamo detto che le particelle che arrivano a
Terra sono relativamente poche, in media 8 per
centimetro cubo. Sarebbero però pericolose per
la vita se non fosse che il campo magnetico della
Terra agisce come una sorta di “scudo” deviando
le particelle lungo le linee di forza che il campo
magnetico terrestre genera.
Un po’ come
faceva la limatura di ferro con cui abbiamo fatto
l’esperienza poco fa.
Le particelle che arrivano dalle parti della Terra vengono “incanalate” lungo
queste linee e passano “a fianco” del nostro pianeta.
Solo pochissime arrivano nella alta atmosfera e contribuiscono a dar luogo al
fenomeno della aurora boreale, che si vede spesso dal nord dell’Europa.
La rapidità con cui variano il campo di radiazione e il vento solare all’aumentare
della distanza dal Sole non ci devono però trarre in inganno: basta pensare ad
una giornata di inizio luglio per capire che di radiazione ce ne arriva abbastanza
per permettere la vita nel nostro pianeta!
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Ora conosciamo la forma del Sistema Solare e i 4 fenomeni principali di cui
dobbiamo tenere conto per capire come il sistema stesso “funziona”, ma
soprattutto abbiamo capito che, in ogni punto del sistema, dai pianeti più vicini al
Sole fino alle estreme regioni della nube di Oort, occorre considerare come
agiscono i campi gravitazionali, magnetico, la radiazione ed il vento solare. Siamo
pronti per andare a conoscere, i vari componenti del Sistema e capire meglio
come sono fatti, come si muovono e perché.
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