UNITA’ A1 – IL SISTEMA SOLARE
1. IL SISTEMA SOLARE: L’ORIGINE
La Terra fa parte del SISTEMA SOLARE, un insieme di corpi celesti che ruotano attorno al Sole.
La scienza che studia l’origine e l’evoluzione del Sistema Solare è la cosmogonia.
Fin da XVI secolo la maggioranza degli scienziati era convinta che la Terra si trovasse al centro
dell’Universo, fermo ed immobile e che tutti i corpi celesti ( Sole, Luna, stelle e pianeti) le girassero attorno
descrivendo orbite più o meno complesse. Questo modello, detto modello geocentrico, era stato
proposto dall’astronomo e geografo alessandrino Claudio Tolomeo nel II sec. d.C. (in suo onore fu detto
anche modello tolemaico) e si accordava con le idee dei grandi filosofi greci, in particolare con quelle di
Aristotele, la cui autorità era allora indiscussa.
Nel 1543 l’astronomo polacco Niccolò Copernico (1473- 1543) ipotizzò un nuovo modello in cui era
invece il Sole a trovarsi immobile al centro dell’universo, mentre la Terra e i pianeti gli ruotavano attorno
descrivendo orbite circolari. Questo modello detto modello eliocentrico, era per quel tempo
rivoluzionario e fu combattuto da un gran numero di oppositori anche se oggi sappiamo che era esatto
almeno su un punto fondamentale ovvero che è proprio la Terra, assieme ad una moltitudine di corpi celesti
appartenenti al Sistema solare, a muoversi attorno al Sole.
I primi tentativi di spiegare la formazione del Sistema Solare risalgono
all’epoca dell’”entrata in vigore” del modello eliocentrico, grazie alle
osservazioni di Galileo Galilei che, grazie al suo cannocchiale, poté
osservare direttamente il comportamento dei pianeti, notarne l’irregolarità
delle superfici e scoprire addirittura che attorno a Giove ruotavano quattro
piccoli pianeti: se questo accadeva per Giove era ancor più credibile che gli
altri pianeti ruotassero attorno al Sole! Nello stesso tempo Keplero (
Johannes Kepler) descrisse matematicamente, con le sue tre leggi ( di cui
rimandiamo la discussione) il moto dei pianeti. Citeremo ora, in particolare la
1a Legge “ L’orbita di un pianeta è un’ellisse di cui il sole occupa uno dei
fuochi”. Questa legge fu una grande vittoria della ragione scientifica sui
pregiudizi religiosi. Infatti si riteneva, fin dall’antichità, che i corpi celesti, per loro natura immutabili e perfetti,
dovessero necessariamente avere delle orbite circolari poiché sfera e circolo erano considerate forme
geometriche perfette. Anche Copernico fu vittima di questo pregiudizio e la grandezza di Keplero sta
nell’aver accettato i risultati dell’osservazione.
Tuttavia Keplero non riusciva a spiegare il perché di questi comportamenti enunciati nelle sue leggi.
La risposta fu fornita ottant’anni dopo, nel 1687 da Isaac Newton che enunciò la legge della gravitazione
universale.
L’ ipotesi più accreditata sull’origine del Sistema Solare – abbozzata già nel 1629 dal filosofo francese René
Descartes ( noto come Cartesio) e ripresa nel 1729 da Pirre Simon de Laplace, matematico francese che si
ispirava alle idee del filosofo tedesco Immanuel Kant - viene detta ipotesi unitaria, in quanto suppone
che tutto il Sistema Solare si sia originata contemporaneamente da un’unica massa di gas interstellare ( una
nebulosa).
Questa teoria andò incontro ad alterne fortune finché, integrata nel nostro secolo da altre misure ed
osservazioni astronomiche, è diventata l’ipotesi più attendibile.
Secondo al teoria oggi più accettata, il sistema Solare si sarebbe formato 4,6 miliardi di anni fa
effettivamente da un’enorme nebulosa derivata dalla catastrofica esplosione di una stella
preesistente
( supernova).
La nebulosa ( ammasso di materia interstellare,
visibile. Le più note sono quelle diffuse, cioè le
nubi di gas e polvere che popolano la nostra e le
altri
galassie)
doveva
essere
costituita
prevalentemente da idrogeno ed elio oltre a
piccole quantità di tutti gli altri atomi che si
trovano ancora oggi sulla Terra.
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La nebulosa in lenta rotazione avrebbe cominciato
a contrarsi per effetto della forza di gravità e
ruotando su se stessa sempre più velocemente
avrebbe assunto la forma di un disco del diametro
di 10 ⋅ 109 km).
Successivamente il disco si sarebbe differenziato in un
centro denso che conteneva la maggior parte della massa
della nebulosa originaria e, per effetto della forza
centrifuga, in una serie di anelli concentrici disposti tutti
attorno e contenenti solo una piccola parte dell’aggregato
originario di gas e polveri. Il centro della nebulosa avrebbe
continuato ad accumulare materiale e a riscaldarsi
formando un centro denso e dando origine ad una
protostella. Mentre nell’anello che circondava la
protostella le particelle di polveri, gas e ghiacci collidevano
e si saldavano fra di loro in corpi sempre più grandi detti
planetesimi, che a loro volta si unirono fino a formare i
protopianeti di composizione chimica variabile a seconda
della loro distanza dal centro della nebulosa; nella zona più
vicina al centro erano composti prevalentemente da
materiali rocciosi e metallici, nella parte media da materiali
rocciosi e ghiaccio (acqua e ammoniaca) e pochi metalli,
mentre nella parte più lontana da ghiaccio, ammoniaca e
metano. I pianeti con massa sufficientemente grande
erano in grado di trattenere un’atmosfera ( a causa della
maggior forza di gravità) formata essenzialmente da
idrogeno ed elio.
I protopianeti, catturando i residui di materia presenti nella
loro orbita, si sarebbero accresciuti fino a diventare i
pianeti attuali. Nel frattempo il 90% del materiale della
nebulosa originaria si andava accumulando nel nucleo
formando il protosole, che andava contraendosi; ad un
dato momento esso raggiunse una densità ed una
temperatura tali che al suo interno cominciarono a
svolgersi reazioni nucleari, con produzione di enormi
quantità di energia.
La nascita del Sole e le reazioni termonucleari
sprigionarono un’enorme quantità di particelle ionizzate,
radiazioni ed energia, provocando un impetuoso vento
solare che spazzò via il pulviscolo e i planetesimi ancora
presenti nello spazio.
La proterra cominciò a riscaldarsi e a liberarsi
dall’involucro di gas che l’avvolgeva. Inoltre iniziò a
contrarsi liberando energia sotto forma di calore che,
insieme al calore liberato dalle reazioni nucleari e a quello
prodotto dal violento impatto dei corpi che cadevano su di
essa, provocò un aumento della temperatura fino alla
fusione di gran parte del pianeta.
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Chiaramente questa è solo un’ipotesi ma vi sono diverse prove significative per sostenerla:
1) tutti i pianeti, tranne due, ruotano nello stesso verso
2) tutti i pianeti, tranne uno, ruotano su un piano pressappoco identico;
3) su tutti i pianeti sono ancora oggi crateri di impatto, che testimoniano una caduta di meteoriti più
intensa di quella attuale, probabilmente causata dal vento solare provocato dall’accensione del Sole.
Attorno a 4,6 miliardi di anni fa la Terra era costituita da una massa incandescente di magma
indifferenziato che ruotava su se stesso. Con il disperdersi nello spazio del suo calore, la sfera infuocata
cominciò a raffreddarsi.
Mentre la temperatura scendeva si verificò la separazione dei materiali seconda della loro densità; al
centro della Terra si formò un nucleo (Ni – Fe) composto dai materiali più pesanti (metalli) mentre i materiali
più leggeri (silicati) rimasero in superficie e raffreddandosi formarono le rocce della prima crosta terrestre.
Nel corso di milioni di anni successivi questa crosta fu modificata dai magmi racchiusi al suo interno e
alterata dal contatto con i gas dell’atmosfera primordiale (CH4,NH3, H2, H2O che si liberavano dalla
profondità della crosta).
Un ulteriore abbassamento della temperatura della crosta diede poi inizio ad una nuova fase della
storia del nostro pianeta: per condensazione del vapore acqueo si formò l’idrosfera e con essa si avviarono i
lenti processi di erosione delle rocce e di deposizione dei sedimenti.
2. I CORPI CHE FORMANO IL SISTEMA SOLARE
SOLE – E’ una stella, cioè un corpo che emana luce propria, grazie alle reazioni che si svolgono nel suo
interno da circa 4,6 miliardi di anni.
PIANETI – Ci sono 8 pianeti. Non emettono luce propria ma vengono illuminati dal Sole e risplendono nel
cielo perché riflettono verso la Terra una parte della radiazione che li investe. I pianeti del Sistema Solare
possono essere divisi in due gruppi: i pianeti di tipo terrestre ovvero quelli più vicini al Sole (Mercurio,
Venere, Terra e Marte) e i pianeti di tipo gioviano (Giove, Saturno, Urano e Nettuno). Da questa
distinzione rimane escluso Plutone, per lungo tempo considerato il nono pianeta, il pianeta più lontano dal
Sole e scoperto nel 1930 in base a calcoli matematici perché difficilmente osservabile dalla Terra; esso
infatti presenta caratteristiche, come le minori dimensioni rispetto ad altri pianeti ed un’orbita molto inclinata,
tali da ipotizzare che la sua origine sia esterna al Sistema Solare. Esso è da ritenere piuttosto un grande
asteroide.
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PIANETI DI TIPO TERRESTRE
(hanno in comune con la Terra le
piccole dimensioni e la composizione
rocciosa)
•
•
•
•
•
•
•
Hanno dimensioni relativamente piccole. Differiscono tra
loro per la grandezza e la distanza che li separa dal Sole.
E dalla distanza dal sole dipende la quantità di energia che
raggiunge ciascun pianeta e quindi la sua temperatura.
Hanno elevata densità ( in media circa 5 volte quella
dell’acqua)
Sono formati prevalentemente da materiali rocciosi
A causa della massa modesta la loro forza di attrazione
gravitazionale è bassa e quindi presentano un’atmosfera,
quando presente, piuttosto rarefatta (ad eccezione di Marte
che risente fortemente dell’attrazione esercitata dal Sole)
Possiedono acqua, sotto forma di vapore sul pianeta
Venere, sotto forma di ghiaccio su Marte). Ma
l’abbondanza di acqua allo stato liquido, condizione
indispensabile per lo sviluppo degli esseri viventi, rimane
una caratteristica solo della Terra.
Sono tutti visibili ad occhio nudo dalla Terra.
Ad eccezione della Terra che ha un satellite (la Luna) tutti
gli altri non hanno satelliti.
Terra
Venere
Marte
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pianeta
Mercurio
Venere
Terra
Marte
n° satelliti
0
0
1
0
periodo di
rivoluzione
88 giorni
225 giorni
365 giorni
687 giorni
periodo di rotazione
anelli
59 giorni
243 giorni
24 ore
24 ore e 40 minuti
PIANETI DI TIPO GIOVIANO
•
•
•
•
•
Hanno grandi dimensioni: sono i giganti del Sistema Solare e sono i più lontani dal Sole; sono separati
dai pianeti di tipo terrestre dalla fascia degli asteroidi, corpi rocciosi di modeste dimensioni dei quali
solo sei hanno un diametro superiore a 300 km.
Hanno bassa densità ( in media 1,2 volte quella dell’acqua)
Sono composti prevalentemente da gas come idrogeno, elio, metano e ammoniaca, anche se le
bassissime temperature causate dalla grande distanza dal Sole determinano la solidificazione dei gas
presenti su Urano e Nettuno. Presentano una piccola percentuale di materiale roccioso al loro interno
A causa della massa elevata hanno un’intensa forza di attrazione gravitazionale e quindi presentano
un’atmosfera molto densa
Hanno in comune la caratteristica di possedere una cerchia di anelli formati da ghiaccio e frammenti
rocciosi e numerosi satelliti che orbitano attorno. ( Le informazioni sulle caratteristiche di questi pianeti
e sui loro satelliti sono stati raccolti dalle sonde spaziali russe ed americane).
pianeta
Giove
Saturno
Urano
Nettuno
n° satelliti
16
8
periodo di
rivoluzione
12 anni
30 anni
84 anni
165 anni
periodo di rotazione
10 ore
10 ore
anelli
alcuni
numerosi
alcuni
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SATELLITI – Sono corpi celesti di dimensioni più piccole di quelle dei pianeti, intorno ai quali orbitano
descrivendo orbite ellittiche. La Terra ha un unico satellite che è la Luna, mentre i satelliti del Sistema Solare
sono in tutto una sessantina, per lo più appartenenti ai pianeti di tipo gioviano.
ASTEROIDI – Sono corpi rocciosi di forma irregolare e di dimensioni variabili, da centinaia di km ( ad es.
Cerere d = 940 km) a qualche centinaio di metri: le loro orbite sono in gran parte comprese tra quelle di
Marte e di Giove. Oggi si conoscono circa 40 000 asteroidi, ma ogni 4 minuti se ne scopre uno nuovo; si
stima che ne esistano da qualche centinaio di migliaia ad un milione circa.
METEORE - Sono frammenti solidi, di dimensioni fino a qualche decina di metri, vaganti nel Sistema Solare.
se vengono attirate verso la superficie della Terra dalla forza di gravità diventano incandescenti a causa
dell’attrito con l’aria e bruciano lasciando dietro di sé una scia luminosa ( le cosiddette stelle cadenti).
Talvolta una meteora di massa consistente può non essere consumata del tutto e può raggiungere la
superficie terrestre: i frammenti che raggiungono la Terra sono chiamati meteoriti e il loro impatto con la
superficie terrestre genera dei crateri meteoritici.
COMETE – Sono corpi di massa relativamente piccola costituiti molto probabilmente da un miscuglio di gas
ghiacciati, polveri e rocce aggregati in blocchi di qualche km di diametro. Le comete risiedono nella fascia di
Kuiper, appartenenti all’orbita di Plutone, e nella nube di Oort che si estende ben oltre l’orbita di Plutone. Di
tanto in tanto vengono spinte all’interno del Sistema Solare e iniziano ad orbitare attorno al Sole trovando
una temperatura sempre più alta. Intorno ad un nucleo centrale si forma un alone rarefatto e luminoso, la
chioma. Il riscaldamento fa evaporare rapidamente i gas congelati liberando particelle di polvere; questi
materiali leggeri che sfuggono dalla cometa vengono sospinti dal vento dando origine ad una coda
leggermente ricurva che può essere lunga anche dieci milioni di km e rivolta in direzione opposta al Sole.
3. LE LEGGI DI KEPLERO: COME SI MUOVONO I PIANETI
La risposta alla domanda “Come si muovono i pianeti attorno al Sole?” si trova nelle leggi di Keplero,
astronomo tedesco (1571 – 1630), che descrivono appunto il moto dei corpi celesti nel Sistema Solare.
Tuttavia egli non riuscì a comprendere quali forze li costringessero a muoversi secondo queste leggi.
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1a LEGGE – L’orbita di un pianeta è un’ellisse di cui il Sole occupa uno dei fuochi
In altre parole, poiché l’orbita ha forma ellittica e non circolare come sosteneva Copernico, la distanza di un
pianeta dal Sole non è sempre la stessa ma varia nel suo moto di rivoluzione. Il punto in cui il pianeta si
trova più vicino al Sole si chiama perielio, mentre il punto più lontano è detto afelio. Tali punti sono
generalmente chiamati apsidi e la linea che li congiunge prende il nome di linea degli apsidi.
A
pianeta
B
il Sole occupa uno
dei due fuochi
afelio
F1
linea degli apsidi
O
F2
perielio
Un’ellisse è una figura piana in cui si riconoscono due fuochi(F1 ed F2) situati sull’asse
maggiore. La somma delle distanze dai fuochi di ciascun punto sull’ellisse (F1A + F2A = F1B + F2B)) è
costante. Nel caso dei pianeti uno dei due fuochi coincide con il centro del Sole. Le ellissi descritte
da ciascun pianeta sono diverse l’una dall’altra per le dimensioni e l’inclinazione.
2a LEGGE – I raggi vettori,( cioè le linee che congiungono il centro del pianeta con il
Sole) descrivono aree uguali in tempi uguali.
Un pianeta cioè non percorre la sua orbita sempre con la stessa velocità: quando è più vicino al sole ( ossia
più prossimo al perielio) il pianeta si muove più velocemente rispetto a quando si trova più lontano ( cioè in
prossimità dell’afelio). I due triangoli non hanno uguale altezza: l’altezza del triangolo costruito in prossimità
dell’afelio è maggiore dell’altezza del triangolo costruito in prossimità del perielio. Perché le loro aree siano
uguali è perciò necessario che la base (cioè il tratto di orbita percorso dal pianeta) del triangolo in perielio sia
più lunga di quella in afelio. Ciò significa che il pianeta si muove più velocemente in perielio, mentre la
velocità è minima in afelio.
3aLEGGE – Il quadrato del tempo che un pianeta impiega a percorrere
completamente l’orbita (periodo di rivoluzione) è proporzionale al cubo del
semiasse maggiore dell’orbita, ossia T∝
∝ r3. In pratica, se la distanza di un pianeta dal Sole è
maggiore di quella di un altro, il suo periodo di rivoluzione sarà più lungo.
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3. LA SPIEGAZIONE DELLE LEGGI DI KEPLERO SECONDO NEWTON
Le leggi di Keplero che si applicano al moto dei satelliti attorno ai pianeti o al moto delle stelle, vennero
spiegate da Isaac Newton il quale comprese che le forze che regolano il moto dei pianeti hanno la stessa
natura delle forze che regolano al caduta di un grave (=corpo soggetto alla forza di gravità) sulla Terra.
Perché, però, i pianeti non precipitano sul Sole come qualsiasi corpo che, se lasciato cadere, precipita al
suolo? La risposta fu fornita appunto da Newton il quale scoprì che due corpi di massa m1 ed m2 si
attraggono con una forza che è direttamente proporzionale al prodotto delle loro masse e inversamente
proporzionale al quadrato della loro distanza r. Questa legge è nota come legge della gravitazione
universale.
m1
m2
=
r
dove G = 6,67 ⋅10−11 N m2 kg−2 è la costante di gravitazione universale.
Per la legge di gravitazione universale quanto maggiore è la massa di un corpo tanto maggiore è la
forza di gravità che esso esercita. Dunque è la forza gravitazionale che ci permette di rimanere “attaccati alla
Terra”. Tale forza, inoltre, diminuisce quanto più i due corpi sono distanti tra loro.Tale legge è detta
2universale” perché essa è valida per tutti i corpi dell’Universo.
In base a questa legge il moto dei pianeti sulle proprie orbite è dovuto principalmente all’azione
combinata di due forze in equilibrio fra loro: la forza gravitazionale, da una parte, che attira il pianeta
verso il Sole e tenderebbe a farlo precipitare su di esso e la forza centrifuga, dall’altra, che tenderebbe a
farlo sfuggire ovvero a proseguire per inerzia il suo moto in linea retta a velocità costante (vd. figura pagina
successiva). Seguendo la risultante di queste due forze i pianeti disegnano la propria traiettoria che risulta
ellittica. Inoltre aumentando la propria velocità nei pressi del perielio, il pianeta riesce meglio a
contrastare la forza di attrazione del Sole; così si spiega perché i pianeti più lontani, attratti da una
minor forza gravitazionale, hanno un moto più lento.
direzione che il
pianeta seguirebbe
per inerzia
Sole
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forza gravitazionale
pianeta
orbita
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APPROFONDIMENTO 1 (stadio 2)
Il motivo per cui la contrazione del disco fa aumentare la velocità di rotazione ( pensate ad una ballerina che
ruotando su se stessa aumenta o diminuisce la propria velocità rannicchiandosi o allargando le braccia) va
ricercato in una ben nota legge fisica: “La conservazione del momento angolare” J = I ϖ dove I è il
momento di inerzia ed ϖ è la velocità angolare: in assenza di un momento di forze esterno I ϖ = I0ϖ0 ma I =
mr2 dove m = massa ed r = raggio dell’orbita ed ϖ = v/r quindi
=
=
cioè
=
e quindi
per cui se il raggio di rotazione viene ridotto la ballerina del nostro esempio aumenta la propria
velocità.
APPROFONDIMENTO 2
Dimostrazione della 3^ legge di Keplero
Consideriamo il caso particolare di un’orbita circolare. Un pianeta in moto attorno al sole è soggetto ad una
forza centripeta (diretta verso il centro), F = mω = mv2/r che altro non è che la forza di attrazione
gravitazionale. Quindi:
=
dove mp è la massa del pianeta ed Ms è al massa del Sole. Ma:
π
velocità = spazio = lunghezza della circonferenza =
tempo
periodo di rotazione
Quindi:
π
=
Ricavando T2 si ottiene:
π
=
ma il rapporto tra parentesi è costante poiché si tratta di grandezze note e quindi:
=
dove la costante K = 4π/G = 2,97 ⋅ 10
19
2
3
s /m .
Bibliografia
D.G. Mackean, Laura Masini – “Natura, Terra e Vita” T1- T2 “ La Terra nell’Universo – Il sistema Terra”
Ed. Scolastiche Bruno Mondatori
D. Casagrande, F. Fantini,…. “15 Moduli per lo Studio delle Scienze della Natura” vol. A - Ed. Italo Bovolenta
LA SCIENZA – vol 2 “Il Sistema Solare”- La biblioteca di Repubblica
Calmieri, Parotto, Saraceni, Strumia “ Immagini ed itinerari di Scienze della Natura ABC” ed. Zanichelli
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