Il sistema solare parte ottava

Lo spazio è malattia e pericolo, nell’oscurità e nel silenzio.

Leonard “Bones” McCoy – Star Trek

 

Il sistema solare comprende un enorme Sole, quattro pianeti giganti, quattro pianeti più piccoli, cinque pianeti nani, più di centoquaranta satelliti, più di centomila asteroidi, e forse oltre un centinaio di miliardi di comete; eppure, per quanto ne sappiamo oggi, su uno solo di tutti questi corpi esiste la vita: sulla nostra Terra. È dunque giunto il momento di occuparci di quest’ultima.

Circa 4,6 miliardi di anni fa, anno più, anno meno, dall’esplosione di una supernova si venne a creare un ammasso di gas e polveri, che per un motivo ancora ignoto (le ipotesi sono tutte molto affascinanti, ma non c’era nessuno, a quel tempo, che possa testimoniare come effettivamente avvenne) iniziò a collassare su sé stesso, condensando la materia ed i gas in un corpo centrale detto “protosole” (dal greco πρῶτος “primo”, cioè che viene prima del Sole).

La concentrazione della materia e dei gas provocò l’innalzamento della temperatura della regione centrale della nebulosa. Il protosole cominciò a produrre energia tramite il principio della fusione nucleare. La crescente forza di gravità del protosole attirò a sé gran parte delle polveri e dei gas della nebulosa, formando intorno a sé un immenso disco protoplanetario composto da vari anelli. La presenza del disco protoplanetario contribuì ad aumentare ulteriormente la temperatura del protosole che progressivamente assunse la forma sferica dell’attuale Sole.

I granelli di ghiaccio e di polveri del disco protoplanetario iniziarono ad urtarsi, fondendosi in oggetti sempre più grandi, detti “planetesimi”. Questi erano corpi della grandezza di pochi chilometri, la cui forza di gravità era tuttavia sufficiente per attirare a sé tutte le altre polveri e resistere alle radiazioni solari che man mano stavano spazzando via dal sistema solare i materiali non ancora aggregati in corpi solidi più grandi. Dalle collisioni dei planetesimi presero vita i primi protopianeti.

Grazie all’accresciuta dimensione, i protopianeti acquisirono una forza di gravità tale da attirare a sé anche i gas: si formarono così dense atmosfere intorno ai nuclei rocciosi. Nacquero in questo modo i giganti gassosi come Giove e Saturno, mentre i protopianeti più vicini alla regione centrale e calda del sistema solare mantennero una composizione prevalentemente rocciosa.

La Terra era tra questi.

Seguì una fase di riscaldamento, dovuta alla trasformazione dell’energia liberata dagli urti dei planetesimi e di quella ottenuta dal decadimento radioattivo. La temperatura continuò a crescere e arrivò fino a 1000°c: ciò provocò la fusione del pianeta che divenne un oceano di lava bollente.

4,5 miliardi di anni fa, il protopianeta era liquido, ma al suo interno incominciavano a delinearsi i vari strati: le sostanze pesanti sprofondarono al centro mentre quelle leggere si spostarono in superficie.

Iniziarono i moti convettivi e si ebbe quindi uno spostamento di calore verso l’esterno, ciò causò il raffreddamento della Terra: la parte superficiale divenne fredda, si solidificò e formò la crosta terrestre. Con l’abbassarsi della temperatura al di sotto dei 100°C il vapore condensò, caddero le prime piogge e si formarono gli oceani.

L’atmosfera, all’inizio era formata da un insieme di gas irrespirabili, come metano (CH4) e ammoniaca (NH3): fino a 2,45 miliardi di anni fa l’atmosfera terrestre era priva di ossigeno (O2): la sua presenza nell’atmosfera moderna è dovuta alla fotosintesi operata inizialmente da cianobatteri, ai quali si sono poi aggiunte le alghe e le piante. Man mano che i primi organismi fotosintetici liberavano ossigeno, questo andava ad ossidare le rocce della superficie terrestre. Una volta esaurite le sostanze facilmente ossidabili, l’ossigeno ha iniziato ad accumularsi nell’atmosfera terrestre, inizialmente in modeste quantità, poi (a partire da 850 milioni di anni fa) la concentrazione di ossigeno è salita (con diverse fluttuazioni) fino ai valori attuali.

Il termine atmosfera (dal greco ἀτμός – atmòs – “vapore” e σφαῖρα – sphàira – “sfera”) rappresenta l’insieme dei gas che circondano un corpo celeste, le cui molecole sono trattenute dalla forza di gravità del corpo stesso.

L’atmosfera terrestre non è un involucro omogeneo e per questo viene suddivisa in vari strati che presentano caratteristiche diverse. Gli strati dell’atmosfera terrestre, partendo dal suolo, sono cinque: troposfera, stratosfera (contenente l’ozonosfera), mesosfera, termosfera, esosfera, mentre in buona parte della mesosfera e termosfera è compresa la cosiddetta ionosfera.

Nella troposfera avviene la maggior parte dei fenomeni meteorologici, mentre nella stratosfera l’ozono assorbe in parte i raggi ultravioletti del Sole, estremamente dannosi per la vita. La composizione chimica media al suolo dell’atmosfera è la seguente:

  • Azoto (N2): 78,08%:
  • Ossigeno (O2): 20,95%;
  • Argon (Ar): 0,93%;
  • Vapore acqueo (H2O): 0,33% in media (variabile da circa 0% a 5-6%);
  • Biossido di carbonio (CO2): 0,0400%;
  • Neon (Ne): 0,00181%;
  • Elio (He): 0,0005%;
  • Metano (CH4): 0,0002%;
  • Idrogeno (H2): 0,00005%;
  • Kripton (Kr): 0,000011%;
  • Xeno (Xe): 0,000008%;
  • Ozono (O3): 0,000004%.

Sono anche presenti, in tracce, Ossidi di azoto (NO, NO2; N2O), Monossido di carbonio (CO), Ammoniaca (NH3), Biossido di zolfo (SO2), Solfuro di idrogeno (H2S).

Non tutti gli strati hanno le stesse concentrazioni di gas: ad esempio il vapore acqueo è presente quasi soltanto nella troposfera, lo strato più basso, ed è praticamente assente nella termosfera e nell’esosfera, che viceversa contengono quasi tutto l’elio e l’idrogeno. L’ozono è contenuto in massima parte nella stratosfera, in cui costituisce un importante strato.

Aristotele nel quarto secolo a.C. pensò che il nostro pianeta fosse sferico in base all’osservazione che se la Terra fosse piatta, un’imbarcazione non apparirebbe all’orizzonte in maniera progressiva e solo un corpo sferico potrebbe proiettare sulla superficie lunare un’ombra circolare.

La Terra non è una sfera perfetta poiché risulta leggermente schiacciata ai poli per il moto di rotazione della Terra attorno al proprio asse. La figura geometrica che si avvicina di più alla forma della Terra è un ellissoide di rotazione, cioè la figura che si ottiene facendo ruotare un’ellisse intorno al suo asse minore. La forma reale della Terra viene rappresentata meglio da un particolare solido non geometrico, chiamato geoide, che mostra rigonfiamenti e depressioni in corrispondenza dei continenti e degli oceani.

Rispetto a un osservatore posto sul prolungamento a Nord dell’asse terrestre, la Terra ruota su sé stessa in senso antiorario, da Ovest a Est. I punti di intersezione tra l’asse terrestre e la superficie della Terra sono i poli geografici.

L’asse di rotazione, che punta attualmente a Nord verso la stella polare, forma un angolo di 66° e 33’ rispetto al piano dell’orbita terrestre.

Per compiere una rotazione completa intorno al proprio asse rispetto a una direzione “fissa” nello spazio, la Terra impiega 23 ore, 56 minuti e 4,0905 secondi; questo valore è chiamato giorno “sidereo”, dal latino sidereus, derivato di sidus – sidĕris, cioè “stella”.

Il giorno “solare vero” è il tempo che intercorre tra due culminazioni consecutive del Sole su di un determinato meridiano. È leggermente più lungo di un giorno sidereo perché la Terra, mentre gira su sé stessa, orbita attorno al Sole nello stesso senso della rotazione. Ne consegue che, dopo una rotazione “assoluta”, il meridiano considerato non è più rivolto esattamente verso il Sole, ma lo sarà dopo che la Terra avrà ruotato su sé stessa di un angolo uguale a quello percorso sull’orbita. Il giorno solare vero non è costante di durata perché la velocità (anche angolare) sull’orbita ellittica varia, in base alla seconda legge di Keplero: il giorno solare vero ha quindi durata massima al perielio, attualmente in gennaio, quando la velocità di rivoluzione è maggiore, e minima all’afelio, in luglio, quando la velocità di rivoluzione è minore.

Il giorno “solare medio”, durata media dei giorni solari durante l’anno, è usato per fini civili. Il giorno solare medio è pari a 24 ore, ovvero 86.400 secondi. A causa del lentissimo rallentamento della rotazione terrestre (negli ultimi 100 anni il giorno si è allungato di circa 1,7 millisecondi), la durata media del giorno solare vero è oggi lievemente superiore a 86.400 secondi, per cui molto lentamente il giorno astronomico “rimane indietro” rispetto a quello civile: negli ultimi decenni, in media di poco meno di un secondo all’anno. Per questo motivo, dal 1972 è stato talvolta aggiunto un secondo al termine del 30 giugno o, più spesso, del 31 dicembre, in modo da compensare questo ritardo. Questo secondo aggiuntivo è chiamato secondo bisestile, per analogia con il giorno aggiunto all’anno bisestile. Fino al 2017 incluso vi sono stati 27 secondi bisestili.

La Terra gira intorno al Sole compiendo un moto di rivoluzione con un’orbita ellittica. La durata di un giorno completa è di circa 365 giorni (anno solare), la distanza del sole è di 147 milioni di km, mentre la distanza massima è intorno ai 152 milioni di km.

Poiché l’asse terrestre è sempre inclinato rispetto al piano dell’orbita, nel corso dell’anno si verificano le seguenti situazioni:

  • equinozio d’autunno (23 settembre) ed equinozio di primavera (21 marzo): la durata del giorno è uguale a quella della notte;
  • solstizio d’estate (21 giugno): il giorno ha la durata massima;
  • solstizio d’inverno (22 dicembre): il giorno ha la durata minima.

Gli equinozi e i solstizi anticipano ogni anno di circa 20 minuti, questo fenomeno è detto precessione degli equinozi.

Visto come è nato e come si muove, vediamo adesso cosa accadrà in futuro al nostro pianeta.

Dicevo che il Sole ha circa 5 miliardi di anni e sappiamo che un giorno si spegnerà. Secondo i calcoli, tra altri 4-5 miliardi di anni si esaurirà il combustibile nucleare (ossia l’idrogeno) che brucia al suo interno facendo brillare l’astro. Ma dalla Terra bisognerà preoccuparsi molto prima: pericolosi cambiamenti ci saranno “già” tra circa tre miliardi di anni. Poi ci sarà l’apocalisse finale, e la Terra sarà investita dall’espansione catastrofica del Sole.

Dapprima aumenteranno la luminosità e la temperatura della fotosfera solare, da 6000 a 6500 °C circa: sulla Terra ci sarà conseguentemente un aumento di temperatura di 4-5 °C, con lo scioglimento dei ghiacciai e delle calotte polari, e l’evaporazione degli oceani. Probabilmente, a tali cambiamenti climatici seguirà un lento adattamento biologico e tecnologico. Poi, quando il Sole esaurirà il combustibile nucleare, la fornace interna tenderà a spegnersi e i gas sovrastanti crolleranno verso il centro, facendo aumentare enormemente la pressione. Ciò porterà la temperatura da 10 milioni a 100 milioni di gradi. A questo punto il Sole userà come combustibile l’elio, precedentemente prodotto dal bruciamento dell’idrogeno; il nuovo prodotto della combustione sarà il carbonio. Queste reazioni interne faranno espandere enormemente il Sole, che diventerà una stella gigante rossa e arriverà a inghiottire le orbite di Mercurio e di Venere. Dalla Terra, il Sole apparirà un enorme astro rossastro che occuperà più di un terzo di cielo. L’espansione del Sole proseguirà sempre più: anche la Terra sarà raggiunta e sarà inglobata nel Sole.

Successivamente, quando anche l’elio sarà esaurito, si verificherà un nuovo crollo degli strati esterni del Sole verso il centro: la temperatura centrale aumenterà da 100 a 600 milioni di gradi e ci saranno quindi le condizioni per bruciare il carbonio producendo ossigeno. Le reazioni termonucleari produrranno ogni volta una gigantesca esplosione, con conseguente lancio verso lo spazio degli strati esterni. Il Sole è però troppo piccolo per raggiungere al suo interno valori di pressione e di temperatura tali da far proseguire ulteriormente le reazioni nucleari fino agli elementi più pesanti e a diventare conseguentemente, una volta esaurite tutte le reazioni, una supernova.

Dopo il bruciamento del carbonio, il Sole, ormai non più sede di reazioni nucleari interne, diventerà probabilmente una nana bianca, ossia una piccola stella estremamente compatta e luminosa, molto densa, che continuerà a brillare per milioni di anni, affievolendosi sempre più. Il Sole diventerà poi una nana nera, un oggetto scuro che non evolve più, alla deriva nel Cosmo: il Sistema solare rimarrà al buio.

E torneremo ad essere polvere di stelle…