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La Terra: caratteristiche di un pianeta abitabile
XXI Scuola Estiva di Astronomia
Stilo - 29 Luglio 2016
G. Cutispoto INAF – Osservatorio Astrofisico di Catania
Il Sistema Solare Sole Pianeti - Mercurio, Venere, Terra, Marte, Giove, Saturno, Urano, Nettuno
Corpi Minori - Pianeti Nani, Satelliti dei pianeti, Asteroidi, Comete
Distribuzione della massa: Sole: 99.85 % Pianeti: 0.13 % CM: 0.02%
Distanza dal Sole: Mercurio: 0.39 UA Terra: 1 UA Giove: 5.20 UA
Periodi orbitali: Mercurio = 88 giorni Terra = 1 anno Giove = 11.86 anni
Le orbite dei pianeti
Sole
Mercurio
Venere
Terra
Marte Giove
Nettuno
Saturno
Urano
149.597.870 km = 1 UA
1 UA = 215 ∙ RSole = 23.450 ∙ Rterra
DMercurio = 0.39 UA DGiove = 5.2 UA
Il Sole nasce dalla contrazione di una Nebulosa (probabilmente causata dall’esplosione di una “Supernova”)
Origine del Sole e del Sistema Solare
Formazione del Sole
inizio: 4.6 miliardi di anni fa
durata: circa 100.000 anni
Intorno al Sole si formò un “disco” di materia
Dal disco (in circa 100 milioni di anni) si formarono i pianeti e i corpi minori
I pianeti si sono formati per “accrescimento” dal disco
Le prime fasi di vita del Sistema Solare sono state caratterizzate da un gran numero di “urti”
Gran parte dei corpi più piccoli andavano a cadere su quelli più grandi
Per i suoi primi 700 milioni di anni la Terra è stata soggetta a un intensissimo “bombardamento” da parte di piccoli corpi che andavano ad accrescere le sue dimensioni
Struttura interna e composizione
Litosfera: 0 – 70 km
Mantello esterno: 70 – 400 km
Regione di transizione: 400 – 650 km
Mantello interno: 650 – 2700 km
Regione D: 2700 – 2890 km
Nucleo esterno: 2890 – 5150 km
Nucleo interno: 5150 – 6378 km
Distribuzione della massa Litosfera: 0.4 % solida
Mantello: 67.5 % semi-fluido
Nucleo esterno: 30.5 % semi-fluido
Nucleo interno: 1.6 % solido
Composizione chimica
Fe: 34.6 % Mg: 12.7 %
O: 29.5 % Ni: 2.4 %
Si: 15.2 % S: 1.9 %
La vita sulla Terra: tempi di evoluzione
- 4.5 miliardi: si forma la Terra - 4 miliardi: prime rocce solide - 3.8 miliardi: diminuisce il bombardamento dei meteoriti
(tempi in anni dall’epoca attuale)
- 3.5 miliardi: primi batteri età del Sole ~ 1.1 miliardi di anni
- 543 milioni (Cambriano): compaiono migliaia di nuove specie, sono gli antenati degli animali e delle piante che oggi popolano la Terra
- 3.5 milioni: età di Lucy (australopithecus afarensis) - 150.000: compare in Africa l’Homo Sapiens
La vita sulla Terra: gli “ingredienti astronomici”
Posizione del Sole nella Galassia
Massa e “stabilità” del Sole
Distanza Terra-Sole: fascia di abitabilità
Attività geologica e vulcanica
Presenza di un campo magnetico
Presenza di un grande satellite
Formazione degli elementi chimici
La vita ha bisogno di “elementi pesanti”, ma il “Big Bang” ha prodotto solo idrogeno ed elio
Le “Supernovae”: alla fine della loro evoluzione le stelle di grande massa (M > 8 MSole) esplodono e immettono nello spazio gli elementi pesanti sintetizzati precedentemente e nel corso dell’esplosione
Inoltre “l’onda d’urto” che viene generata può favorire l’innesco del collasso delle nubi interstellari dando vita a nuove stelle
Gli altri elementi chimici si formano all’interno delle stelle
Ma le Supernovae emettono anche fasci di particelle di alta energia, raggi X e raggi g, capaci di distruggere ogni forma di vita nel raggio di migliaia di anni luce
La posizione del Sole nella Galassia
Le regioni centrali di una galassia a spirale sono molto ricche di stelle, quindi di elementi pesanti, ma sono anche “pericolose” (Supernovae, interazioni tra stelle)
Localizzazione degli “elementi pesanti”
Le regioni esterne sono troppo povere di elementi pesanti
Le regioni intermedie sembrano offrire le migliori condizioni
Il Sole dista circa 30.000 anni luce dal centro della “Via Lattea”; è la regione più adatta per l’esistenza di pianeti abitabili ?
Massa e “stabilità” del Sole
Massa del Sole: 1.99 · 1030 kg 0.08 · MSole < Massa delle stelle < 100 · MSole
nucleo
Composizione Chimica del Sole:
Idrogeno: 73% Elio: 25% Elementi pesanti: 2% (r = 1.41 g/cm3)
Ogni secondo il Sole converte nel nucleo 564.5 · 109 kg di Idrogeno (pari a 2.83 · 10-19 della sua massa) in 560 · 109 kg di Elio
Ogni secondo nel nucleo del Sole hanno luogo 92 · 1036 reazioni p-p, che producono un’energia pari a circa 3.85 · 1026 J (equivalente all’energia elettrica che sarebbe possibile produrre sulla Terra in circa 4.7 milioni di anni)
Nel ‘’nucleo’’ del Sole hanno luogo reazioni di “fusione nucleare”: l’Idrogeno si trasforma in Elio
Per l’evoluzione della vita su un pianeta sembra essenziale che il flusso di radiazione incidente ( temperatura) sia “costante o lentamente variabile”, ovvero che la stella attorno a cui orbita sia “stabile”
Vale la relazione: TMS 10 · 109 /M2.5 anni (con ‘’M’’ in masse solari)
Le stelle con M > 2.5 · MSole si evolvono troppo rapidamente
Infatti se M = 2.5 · MSole si avrà: TMS 109 anni
La fase di sequenza principale è la più lunga della vita di una stella Il tempo di permanenza di una stella sulla ‘’MS’’ dipende dalla sua massa Nel caso del Sole il tempo in ‘’MS’’ vale circa 10 • 109 anni
L
T
Sole
Mercurio
Venere
Terra Marte
Fascia di abitabilità E’ la regione entro la quale un pianeta ha una temperatura tale da poter mantenere
l’acqua allo stato liquido sulla sua superficie
La composizione dell’atmosfera gioca un ruolo fondamentale (effetto serra: da -21 C a +15 C)
Sole
Mercurio
Venere
Terra Marte
Il Sole tra 5 miliardi di anni
Tra circa 5 109 anni il Sole si evolverà in “Gigante Rossa”
La temperatura sulla Terra diventerà troppo elevata
La fascia di abitabilità si sposterà verso le regioni più esterne del Sistema Solare, ma sarà meno stabile (l’evoluzione di una gigante è molto rapida)
Per stelle con M>2.5∙MSole la fascia di abitabilità si sposta dopo circa 109 anni
“Tettonica a Zolle”
La litosfera è divisa in “zolle” che si muovono (deriva dei continenti) sopra il mantello
La crosta terrestre si rinnova in circa 500·106 anni tramite “spreading” (due zolle si allontanano) e “subduction” (due zolle entrano in collisione); senza questi processi l’erosione spianerebbe le terre emerse in circa 20 milioni di anni
Lungo le fratture nascono i vulcani, che riforniscono l’atmosfera di molecole quali la CO2 che risulta fondamentale per il mantenimento dell’effetto serra
Ruolo del campo magnetico
Il campo magnetico della Terra ha un valore in superfice compreso tra 0.25 e 0.65 G, l’asse magnetico è inclinato di circa 10 gradi rispetto all’asse di rotazione della Terra
Un buon magnete da frigo ha un campo di 100 G
A dispetto del nome, la magnetosfera della Terra è fortemente asimmetrica a causa del vento solare; la parte rivolta verso il Sole ha dimensioni fino a circa 10 RTerra, mentre la parte opposta è allungata in una ‘’coda’’ che si estende fino a oltre 200 RTerra
Il campo magnetico della Terra è in grado di deviare gran parte del vento solare, proteggendo così la nostra atmosfera Senza il campo magnetico le particelle cariche del vento solare distruggerebbero lo stato di Ozono e, più in generale, causerebbero, come si pensa sia avvenuto su Marte, la perdita quasi completa dell’atmosfera
La Terra e la Luna
Distanza media Terra-Luna = 384.4 · 103 km = 60.3 · RTerra
RTerra = 3.67 · RLuna
MTerra = 81 · MLuna
Raggio Terra = 6378 km
Raggio Luna = 1738 km
Terra Luna
Terra/ Luna
Marte/ Phobos
Giove/ Ganimede
Saturno/ Titano
Urano/ Titania
Nettuno/ Tritone
81 62.5 · 106 12820 4170 24390 4760
Densità della Luna = 3.34 g/cm3
Densità della Terra = 5.52 g/cm3
Inclinazione dell’orbita lunare > 5 gradi
Origine della Luna
La Luna si è formata a seguito dell’impatto della Terra con Theia, un corpo formatosi in uno dei punti lagrangiani dell’orbita terrestre
Quando Theia raggiunse una massa simile a quelle di Marte la sua posizione divenne instabile, le crescenti oscillazioni finirono per fargli colpire la Terra
Gran parte dei detriti generati dall’urto furono espulsi nello spazio; da essi si formò, in circa 100 anni, la Luna
La presenza della Luna ha contribuito a stabilizzare l’asse di rotazione della Terra, uno degli ingredienti più importanti per evitare rapidi cambiamenti climatici e quindi favorire lo sviluppo della vita
Mercurio: i = 0° Venere: i = 177° Terra: i = 23.5° Marte: i = 25°
Importanza della Luna
La Luna è il corpo che influisce maggiormente sul fenomeno delle maree, che in alcune zone del globo superano dislivelli di 10 metri
In assenza di maree si ridurrebbero, o non si sarebbero mai formate, alcune importanti correnti oceaniche, che regolano la formazione delle nubi e quindi la circolazione atmosferica su scala globale
L’impatto sul clima e sull’evoluzione della vita non sono facilmente prevedibili, ma sarebbero con molta probabilità significative
Presenza di un pianeta “gigante”
MGiove = 1.899 · 1027 kg = 317.8 · MTerra = 9.5 · 10-4 (= 1/1050) · MSole
MGiove = 1.1 · 10-2 (= 1/84) · Msmallest_star = 7.9 · 10-2 (= 1/13) · Msmallest_BD
DSole-Giove = 778.5 · 106 km = 5.2 UA (e = 0.049)
RGiove = 10.86 · RTerra = 1/10 · RSole
Gli Asteroidi (o “Pianetini”)
Fascia degli Asteroidi
Orbitano principalmente tra Marte e Giove (fascia degli Asteroidi, 2.1-3.3 UA)
Il più grande è Cerere (diametro = 933 km) scoperto nel 1801
La loro massa totale è di circa 1/1000 la massa della Terra
Quelli classificati sono oltre 750.000; solo 26 hanno un diametro maggiore di 200 km, ma si stima che ne esistano oltre un milione con diametro maggiore di 1 km
Orbita di Giove
Orbita di Marte Orbita della Terra
NEA e PHA
Terra NEA PHA
I NEA hanno orbite con distanza minima dal Sole (perielio) minore di 1.3 UA, quindi possono avvicinarsi notevolmente alla Terra
Quelli che si avvicinano a meno di 0.05 UA dalla Terra sono detti PHA
Eros
33x13x13 km
Marzo 2000
La sonda NEAR orbita intorno a EROS Mathilde Gaspra Ida
59x47 km 19x12x11 km 58x23 km
· Sole Terra Marte Giove
Nettuno
Plutone
Saturno
Urano
Giove
Fascia degli Asteroidi
Fascia di Kuiper
Cerere
Le “fasce” di Asteroidi
La Fascia di Kuiper (30-50 UA) potrebbe contenere 100.000 corpi con diametro maggiore di 100 km e avere una massa totale dell’ordine di 1/10 MTerra
West (1976)
Swift-Tuttle (1992)
Hyakutake (1996)
Le Comete
Conosciute ~ 5300 Periodiche ~ 480 (P < 200 anni)
Origine: Fascia di Kuiper (breve periodo) Nube di Oort (lungo periodo)
NComete ~ 1012; MComete ~ MGiove
“67 P / Churyumov-Gerasimenko ”
3 Agosto 2014
Foto ottenuta da 285 km di distanza dalla sonda “Rosetta”
3 km
Afelio: 5,68 UA
Perielio: 1,24 UA
Periodo: 6,45 anni
Rotazione: 12,7 h
Dimensioni: 3,5 x 4 km
Il “ruolo” di Giove
16 – 20 Luglio 1994
20 impatti (Dmax = 2 km)
v = 60 km/s
Giove e la cometa Shoemaker-Levy
Giove “protegge” la parte interna del Sistema Solare
La Terra è soggetta a un continuo “bombardamento” da parte di “piccoli” corpi del Sistema Solare (40.000 ton/anno)
La Terra, gli Asteroidi e le Comete
x 100
x 1/3
Una frazione del tutto trascurabile (6.7 10-18) della massa della Terra
La Terra è soggetta a un continuo “bombardamento” da parte di “piccoli” corpi del Sistema Solare (40.000 ton/anno)
La Terra, gli Asteroidi e le Comete
Dimensioni Frequenza Effetti
1 cm 10 / h meteore 2 cm 1 / h si disintegrano nell’atmosfera
4 m 10 / anno meteoriti 10 m 1 / anno possono raggiungere la superficie
9 Ottobre 1992 massa iniziale del meteorite ~ 12 ton
Meteor Crater
Wolf Creek (Australia) età ~ 300.000 anni Diametro = 850m
Attualmente sono oltre 170 i crateri da impatto identificati
Diametro del meteorite = 25-30 m Velocità di impatto ~ 13 km/s
Diametro = 1186 m Profondità = 200 m Età = circa 49.000 anni
Tunguska - 30 Giugno 1908
Asteroide (o Cometa), con un diametro di circa 60 m, esploso a 6 km dal suolo
La distruzione fu totale in un raggio di circa 30 km
Il boato generato dall’esplosione fu avvertito fino a Londra (20.000 km)
P = 1/1.000 anni
Dimensioni Frequenza Effetti 100 m 1 / 10.000 anni distruzioni su scala “locale”
1 km 1 / 1.000.000 anni distruzioni su scala “planetaria”
10 km 1 / 50.000.000 anni estinzioni di massa
Le estinzioni di massa
Ne sono state identificate almeno 5; si pensa che sono state causate da grandi catastrofi naturali o da notevoli e rapidi cambiamenti climatici
Sono eventi improvvisi che comportano una notevole riduzione delle specie viventi
Hanno luogo su tutto il pianeta
Coinvolgono un gran numero di specie anche molto diverse tra loro
Avvengono in un lasso di tempo “breve”
Tardo Ordoviciano (-438)
Tardo Devoniano (-360)
Fine Permiano (-245)
Tardo Triassico (-208)
Fine Cretaceo (-65)
L’estinzione dei Dinosauri
Questa estinzione di massa (estinzione K-T) segnò il passaggio dall’era dei rettili a quella dei mammiferi
Da cosa è stata causata ?
Teorie proposte:
Effetto serra (eruzioni vulcaniche)
Cambiamenti climatici (variazione dell’orbita della Terra)
Teoria “dell’impatto”
I dinosauri si sono estinti alla fine del Cretaceo e insieme con essi scomparvero circa il 65% di tutte le specie animali e vegetali presenti sulla Terra (in particolare tutte le forme di vita non acquatiche di peso superiore ai 30 kg)
Non tutti i mali vengono per nuocere…
La scomparsa di terribili predatori quali erano i grandi dinosauri, che avevano dominato il pianeta per 135 milioni di anni, provocò una svolta nell’evoluzione della vita sulla Terra
I mammiferi, comparsi sulla Terra prima dei dinosauri, ma rimasti in una ‘’nicchia evolutiva’’, accelerarono il loro sviluppo e diventarono in breve la specie dominante
Probabilmente senza l’estinzione dei dinosauri i grandi mammiferi, e tra di essi la razza umana, non sarebbero stati in grado di svilupparsi (almeno nei tempi che conosciamo)
Collaborazione internazionale per l’identificazione e lo studio dei ‘’Near Earth Asteroids’’ (NEA) e in particolare dei “Potentially Hazardous Asteroids” (PHA), corpi più grandi di 150 m che possono avvicinarsi alla Terra a meno di 7.480.000 km (= 0.05 UA)
E’ molto difficile identificare NEA con diametro minore di 50 m
Si pensa ne esistano almeno 50.000
NEAT (Near-Earth Asteroid Tracking system)
Fino ad oggi sono stati scoperti 14495 NEA, di questi 873 hanno un diametro maggiore di 1 km
I PHA attualmente conosciuti sono 1710, di questi 158 hanno un diametro maggiore di 1 km
Il più “pericoloso” è Apophis (D ~ 390 m), che potrebbe colpire la Terra nel 2036 (molto più probabilmente sarà deviato nel prossimo passaggio in prossimità della Terra, 36350 km, del 13 Aprile 2029)
http://neo.jpl.nasa.gov/neo/
Alla categoria degli ‘’imprevedibili’’ apparteneva il corpo esploso in atmosfera nei pressi della città russa di Chelyabinsk la mattina del 15 Febbraio 2013
Il più importante evento registrato dopo quello di Tunguska del 1908
L’asteroide aveva un diametro di 17 m e un peso di 10000 tonnellate; la sua velocità di ingresso in atmosfera è stata stimata in 25000 km/h ed è esploso a 25 km di altezza
L’energia rilasciata: 470 kT (~ 30 Hiroshima ~ 1/11 Tunguska)
E’ abbastanza singolare che questo l’evento si sia verificato lo stesso giorno in cui l’asteroide 2012 DA14, un corpo con diametro di 55 m, è passato a 28.600 km di altezza dalla superfice terrestre
Il meteorite di Chelyabinsk
2012 DA 14 2012 DA14 è stato scoperto il 23 febbraio 2012
Ha un diametro di 55 metri e una massa di circa 1.3 ∙ 108 kg
Il suo periodo orbitale è di 314 g
Il 15 Febbraio 2013 è passato a soli 28.600 km dalla superfice terrestre (ben al di sotto della fascia dei satelliti geostazionari)
Asteroide Data Distanza (LD) Diametro
2002 KL 6 22 Luglio 26.6 1.4 km
2011 BX 18 25 Luglio 52.7 1.1 km
2016 NX 22 2 Agosto 19.9 86 m
2005 OH 3 3 Agosto 5.8 28 m
2000 DP 107 12 Agosto 66.5 1.0 km
2004 BO 41 7 Settembre 38.9 1.1 km
1 LD = 384.400 km http://spaceweather.com/
Alla ricerca di un’altra Terra
Le prime intuizioni sulla “pluralità dei mondi”, e sulla possibilità di forme di vita su altre “terre”, risalgono almeno alla civiltà ellenistica (Aristarco, Democrito, Epicuro)
Che la vita si sia sviluppata su altri pianeti è un’idea che ha profonde radici nel pensiero scientifico e filosofico
Giordano Bruno affermò (1584): “Esistono innumerevoli soli e innumerevoli terre in orbita intorno ai loro soli”
1995: scoperta del primo pianeta exstrasolare (51 Pegasi b)
Luglio 2016: 3487 pianeti extrasolari noti (Mminima < MTerra)
Quanto è ‘’unico’’ l’insieme di caratteristiche e di processi che esistono e/o si sono sviluppati sulla Terra ?