CARATTERISTICHE GENERALI della LUNA

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1 CARATTERISTICHE GENERALI della LUNA unicità della Luna: la Luna è l unico satellite della Terra ed è l unico corpo celeste su cui l uomo abbia messo piede (il primo allunaggio è avvenuto il 20 luglio 1969 e l ultimo allunaggio nel dicembre del 1972); caratteristiche generali della Luna: la Luna ha un raggio che è circa un quarto rispetto a quello terrestre ed ha una massa che è circa ottanta volte inferiore; nonostante la massa modesta, la Luna è uno dei più grandi satelliti del Sistema Solare, superata solo da alcuni dei satelliti dei pianeti gioviani; particolarmente significativo è tuttavia un dato: il rapporto tra la massa della Luna e la massa della Terra è superiore rispetto all equivalente rapporto calcolato tra la massa degli altri satelliti e la massa dei rispettivi pianeti all interno del Sistema Solare; sistema planetario binario: a causa dell elevato rapporto tra la massa della Luna e la massa della Terra, questi due corpi celesti possono essere considerati come gli elementi costituenti di un sistema planetario doppio che ruota attorno ad un baricentro comune; a causa della maggiore massa della Terra rispetto alla Luna, il baricentro del sistema planetario doppio si trova all interno del nostro pianeta: per questo motivo, il moto di rivoluzione della Luna si può considerare poco diverso da quello che si registrerebbe se essa realmente girasse attorno al centro della Terra; densità media della Luna: la densità media della Luna è pari a circa 3,3 g/cm 3, un valore inferiore a quello terrestre che potrebbe confermare l ipotesi secondo la quale il nostro satellite si sarebbe formato per distacco di una parte superficiale del nostro pianeta (a causa dell elevata velocità di rotazione terrestre ed a causa della forza di attrazione gravitazionale esercitata dal Sole); accelerazione di gravità sulla Luna: a causa della massa e delle dimensioni della Luna, la accelerazione di gravità di quest ultima è circa sei volte inferiore rispetto a quello terrestre; 64

2 questo risultato può essere ottenuto tenendo conto dei valori relativi alla massa ed alle dimensioni della Luna rispetto alla Terra: F c M m G m g R M G 2 2 L L T g 3,66 R g g T M M T 2 ( R ) ( R ) 81 L 1 6 assenza di atmosfera e di idrosfera: la Luna è priva di atmosfera a causa del basso valore associato alla velocità di fuga di questo corpo celeste ed a causa delle temperature elevate che in passato hanno probabilmente caratterizzato il nostro satellite; queste due caratteristiche hanno reso possibile la dispersione nello spazio interplanetario dei gas che formavano l atmosfera primordiale della Luna; con le stesse considerazioni si giustifica l assenza di idrosfera: l acqua che forse era presente nella prime fasi di esistenza della Luna, a causa del forte riscaldamento solare, entrò a far parte dell atmosfera lunare, vincendo poi la forza di attrazione gravitazionale per effetto dell elevata agitazione termica e per effetto della bassa velocità di fuga; considerando i valori massimi e minimi delle temperature lunari, l acqua potrebbe essere presente allo stato solido in profonde depressione oppure al di sotto della superficie lunare; conseguenze della assenza di atmosfera: le principali conseguenze della assenza di atmosfera sulla Luna sono costituite dalla assenza di fenomeni crepuscolari, dall elevata escursione termica giornaliera (le temperature superficiali passano infatti dai 100 C durante il dì ai 150 C durante la notte), dallo scarso potere riflettente (o albedo) del nostro satellite (che infatti assorbe circa il 93% della radiazione solare che colpisce la sua superficie) e dalla assenza di fenomeni erosivi; 65

3 DETERMINAZIONE della DISTANZA TERRA-LUNA metodo della parallasse diurna: la parallasse diurna è l angolo sotto cui si vede il raggio equatoriale terrestre da un corpo astronomico; la parallasse diurna della Luna può essere calcolata effettuando, nel medesimo istante e da due località terrestri differenti, una fotografia del nostro satellite: mediante sovrapposizione di queste due fotografie è possibile risalire all angolo di parallasse diurna p; il valore dell angolo di parallasse diurna p è tanto maggiore quanto maggiore è la distanza tra i due punti di osservazione: in genere si scelgono quindi due punti diametralmente opposti che giacciono sull equatore terrestre; d r tg p la parallasse diurna della Luna è pari a 57, per cui la distanza Terra-Luna può essere calcolata mediante la seguente relazione: 6378Km d Km 57' tg 60' metodo della telemetria laser: grazie alla installazione sul suolo lunare di appositi riflettori è stata possibile, a partire dal 1969, la determinazione della distanza Terra-Luna mediante applicazione della telemetria laser; questa tecnica consente di misurare sperimentalmente l intervallo di tempo che intercorre tra l istante in cui viene lanciato un segnale laser dalla Terra e l istante in cui questo stesso segnale ritorna sul nostro pianeta dopo aver percorso il viaggio di andata e ritorno; il risultato del calcolo sperimentale è di circa 2,56 secondi, per cui la distanza Terra-Luna calcolata con questo metodo può essere ottenuta nel modo seguente: 5 Km ,56s c t d s Km 66

4 I MOVIMENTI della LUNA moto diurno apparente della Luna: analogamente al Sole, anche la Luna compie un moto apparente diurno, spostandosi da est verso ovest, che è in realtà conseguenza del moto reale di rotazione terrestre; il moto diurno apparente della Luna non è sincronizzato con quello delle stelle, visto che di giorno in giorno il nostro satellite sorge, culmina e tramonta con 50 minuti circa di ritardo: quando infatti la Terra ha completato la sua rotazione attorno al proprio asse, la Luna si è già spostata e sono necessari circa 50 minuti per ritrovarla sopra l orizzonte nella stessa posizione del giorno precedente; moto di rotazione della Luna: analogamente al nostro pianeta, anche la Luna è caratterizzata da un moto di rotazione attorno ad un asse inclinato di 6 41 rispetto alla direzione perpendicolare al piano di rivoluzione; verso di rotazione della Luna: analogamente al nostro pianeta, anche la Luna ruota in senso antiorario per un osservatore posto in corrispondenza del polo nord celeste; conseguenze del moto di rotazione: il moto di rotazione determina un modesto schiacciamento polare (il raggio equatoriale differisce infatti da quello polare solo per un paio di chilometri): la Luna ha pertanto una forma pressoché sferica, nella quale si può notare un lieve rigonfiamento della superficie rivolta verso la Terra (questo rigonfiamento viene interpretato come conseguenza della costante azione gravitazionale che la Terra esercita su quella porzione della superficie lunare); periodo di rotazione della Luna: il periodo associato al moto di rotazione lunare (e definito come l intervallo di tempo necessario per compiere una rotazione completa rispetto ad una stella lontana) è di 27 d 7 h 43 m 12 s ; poiché il periodo di rotazione lunare coincide esattamente con il periodo di rivoluzione, la Luna rivolge sempre la stessa porzione della propria superficie verso la Terra; in realtà nel corso del suo moto di rotazione la Luna subisce delle perturbazioni, dette librazioni, per effetto delle quali dalla Terra noi riusciamo a vedere quasi il 59% della superficie lunare; la possibilità di osservare più della metà della superficie lunare si può giustificare tenendo conto di diversi tipi di librazioni: - le librazioni in latitudine sono dovute al fatto che l asse di rotazione della Luna è inclinato rispetto alla direzione perpendicolare al proprio piano di rivoluzione: dalla Terra noi vediamo quindi alternativamente una porzione maggiore dell emisfero settentrionale e dell emisfero meridionale; 67

5 - le librazioni in longitudine sono dovute al fatto che la velocità del moto di rivoluzione varia in accordo con le leggi di Keplero, a differenza della velocità del moto di rotazione che è invece estremamente regolare; quando la Luna si trova alla minima distanza dalla Terra, la sua velocità di rivoluzione è maggiore rispetto alla velocità di rotazione e quindi dal nostro pianeta è possibile osservare una porzione maggiore della bordo orientale; analogamente, quando la Luna si trova alla massima distanza dalla Terra, la sua velocità di rivoluzione è minore rispetto alla velocità di rotazione e quindi dal nostro pianeta è possibile osservare una porzione maggiore della bordo occidentale; - le librazioni parallattiche sono infine dovute al fatto che la posizione dell osservatore sulla Terra può variare in relazione al luogo fisico in cui si trova ed in relazione al moto di rotazione terrestre; moto di rivoluzione della Luna: la Luna compie un moto di rivoluzione attorno al nostro pianeta descrivendo una traiettoria ellittica in cui uno dei fuochi è occupato proprio dalla Terra; il punto dell orbita di rivoluzione lunare alla minima oppure alla massima distanza dal nostro pianeta prende il nome rispettivamente di perigeo ed apogeo; verso del moto di rivoluzione della Luna: analogamente al moto di rivoluzione terrestre, anche la Luna ruota attorno alla Terra muovendosi in senso antiorario per un osservatore posto in corrispondenza del polo nord celeste; ellitticità dell orbita: il grado di ellitticità dell orbita di rivoluzione lunare, pari a 0,055, è leggermente superiore a quello relativo all orbita di rivoluzione terrestre (in ogni caso l ellisse orbitale lunare non si discosta eccessivamente da una circonferenza); piano di rivoluzione: il piano su cui avviene il moto di rivoluzione lunare non coincide con il piano di rivoluzione della Terra attorno al Sole, ma è inclinato rispetto a quest ultimo di circa 5 (l orbita di rivoluzione lunare interseca quindi l orbita di rivoluzione terrestre in due punti di fondamentale importanza che prendono il nome di nodi; mese sidereo: il mese sidereo è definito come l intervallo di tempo necessario affinché la Luna compia una rotazione completa attorno alla Terra rispetto ad una stella lontana ed ha una durata di 27 d 7 h 43 m 12 s ; 68

6 mese sinodico: il mese sinodico è definito come l intervallo di tempo che intercorre tra due congiunzioni (oppure tra due opposizioni) consecutive ed ha una durata di 29 d 12 h 44 m 3 s ; la ragione della differenza tra la durata del mese sinodico e la durata del mese sidereo è costituita dal moto di rivoluzione della Terra attorno al Sole; durante un mese sidereo la Terra compie uno spostamento angolare attorno al Sole di circa 27 : per ottenere uno stesso allineamento tra Sole, Terra e Luna quest ultima deve compiere una rotazione attorno al proprio asse di uno stesso angolo, pari cioè a 27 ; l intervallo di tempo necessario per compiere questa rotazione attorno al proprio asse coincide con la differenza tra la durata del mese sinodico e la durata del mese sidereo; moto di traslazione della Luna: il moto di traslazione della Luna è il moto che quest ultima compie attorno al Sole per effetto del moto di rivoluzione terrestre; la traiettoria descritta dalla Luna nel suo moto di traslazione prende il nome di epicicloide ed interseca la traiettoria associata all orbita di rivoluzione terrestre 24 oppure 25 volte all anno: la traiettoria descritta dalla Luna nel suo moto di traslazione presenta la caratteristica non comune di rivolgere la sua concavità sempre dalla parte del Sole, analogamente alla traiettoria dei pianeti; 69

7 Le FASI LUNARI concetto di fasi lunari: le fasi lunari sono costituite dal diverso aspetto con cui, nell arco di un mese sinodico, si presenta la superficie della Luna rivolta verso la Terra; le fasi lunari sono causate dalle variazioni, nel corso di un mese sinodico, della posizione reciproca tra Sole, Terra e Luna; fase di Luna nuova (o novilunio): la fase di luna nuova (o novilunio) si verifica quando la Luna si trova in congiunzione e la superficie illuminata non è quindi rivolta verso la Terra; durante la fase di novilunio la superficie del nostro satellite ci dovrebbe apparire completamente scura: nella realtà essa è debolmente illuminata a causa dei raggi del Sole che colpiscono la Terra e che, da questa, vengono riflessi sulla superficie lunare; fase di Luna piena (o plenilunio): la fase di luna piena (o plenilunio) si verifica quando la Luna si trova in opposizione e la superficie illuminata è quindi rivolta verso la Terra (in tali condizioni il nostro satellite ci appare illuminato); fase di primo quarto: la fase di primo quarto si verifica quando la Luna si trova in quadratura (occupa cioè un vertice di un triangolo rettangolo ai cui altri vertici si trovano la Terra ed il Sole) passando dalla fase di novilunio alla fase di plenilunio; nella fase di primo quarto vediamo solo la metà della superficie illuminata dal Sole, e quindi vediamo solo un quarto della superficie totale lunare; fase di terzo quarto: la fase di terzo quarto si verifica quando la Luna si trova in quadratura (occupa cioè un vertice di un triangolo rettangolo ai cui altri vertici si trovano la Terra ed il Sole) passando dalla fase di plenilunio alla fase di novilunio; anche nella fase di primo quarto vediamo solo la metà della superficie illuminata dal Sole, e quindi vediamo solo un quarto della superficie totale lunare; 70

8 oltre alle quattro fasi principali esaminate si possono individuare tutte le fasi intermedie: nel passaggio dalla fase di novilunio alla fase di plenilunio si parla in genere di Luna crescente, durante la quale la porzione convessa della superficie lunare illuminata è sempre orientata verso ponente; nel passaggio dalla fase di plenilunio alla fase di novilunio si parla in genere di Luna calante, durante la quale la porzione convessa della superficie lunare illuminata è sempre orientata verso levante; periodo di tempo necessario per passare da una fase di novilunio a quella successiva: l intervallo di tempo necessario per passare da una fase di novilunio (o di plenilunio) a quella successiva coincide con un mese sinodico, che come sappiamo ha una durata di 29 d 12 h 44 m 3 s (l intervallo di tempo che intercorre tra due fasi principali consecutive è quindi pari a 7 d 9 h 11 m 1 s ); d h m s d h m s correlazione tra fasi lunari e calendario: poiché la durata dell anno solare non è un multiplo intero della durata del mese sinodico, le fasi lunari non si verificano nello stesso giorno in anni successivi; ciclo aureo: il ciclo aureo è definito come l intervallo di tempo necessario affinché le stesse fasi lunari si verifichino negli stessi giorno del calendario; questo intervallo di tempo ha una durata pari a circa 19 anni, durante i quali si verificano infatti un numero intero di mesi sinodici: d h m s 19 ( ) 235 d h m s

9 Le ECLISSI concetto di eclissi: con il termine di eclissi si indica l oscuramento temporaneo di un corpo celeste da parte di un altro che vi transita davanti; eclissi totali ed eclissi parziali: le eclissi totali si verificano quando il corpo celeste viene oscurato totalmente, a differenza delle eclissi parziali in cui invece il corpo celeste viene oscurato solo in parte; eclissi di Luna: le eclissi di Luna si verificano quando, durante una fase di plenilunio, il nostro satellite si trova in corrispondenza di uno dei nodi (o ad una distanza angolare da quest ultimo inferiore a 5 ); durante le eclissi di Luna, il nostro pianeta si interpone tra il Sole e la Luna e quest ultima va a cadere all interno del cono d ombra o di penombra della Terra; frequenza delle eclissi di Luna: se il piano di rivoluzione della Luna coincidesse con il piano dell eclittica si avrebbe una eclissi di Luna durante ogni mese sinodico: in realtà i due piani non coincidono e quindi le eclissi di Luna sono meno frequenti; durata delle eclissi di Luna: poiché il cono d ombra prodotto dalla Terra ha dimensioni decisamente superiori rispetto al diametro della Luna, quest ultima impiega un certo tempo per attraversarlo e quindi le eclissi di Luna possono avere anche una durata di 100 minuti; osservazione delle eclissi di Luna: a differenza delle eclissi di Sole, le eclissi di Luna possono essere osservate da tutti i punti della superficie terrestre; aspetto delle eclissi di Luna: durante le eclissi di Luna la superficie di quest ultima non appare completamente oscurata, ma risulta di un colore rossastro, a causa delle radiazioni rifratte dall atmosfera terrestre; eclissi di Sole: le eclissi di Sole si verificano quando, durante una fase di novilunio, il nostro satellite si trova in corrispondenza di uno dei nodi (o in vicinanza ad esso); nelle eclissi di Sole, la Luna si interpone tra il nostro pianeta ed il Sole: in tali condizioni una porzione limitata della superficie terrestre viene colpita dal cono d ombra o di penombra prodotto dalla Luna; 72

10 durata ed osservazione delle eclissi di Sole: poiché le dimensioni del cono d ombra prodotto dalla Luna sono inferiori a quelle della Terra, le eclissi di Sole possono essere osservate solo in zone limitate della superficie terrestre e per periodi brevi; mentre in queste zone le eclissi di Sole possono essere eclissi totali, nelle regioni adiacenti colpite dalla zona di penombra esse appaiono come eclissi parziali; eclissi totali di Sole: le eclissi totali di Sole che si verificano quando la Terra si trova alla massima distanza dal Sole (e quindi in afelio) e la Luna si trova invece alla minima distanza dalla Terra (e quindi in perigeo); eclissi anulari di Sole: le eclissi anulari sono eclissi di Sole che si verificano quando la Terra si trova alla minima distanza dal Sole (e quindi in perielio) e la Luna si trova invece alla massima distanza dalla Terra (e quindi in apogeo); in queste condizioni il disco solare non viene completamente oscurato: di esso si può invece vedere la porzione periferica; durata delle eclissi anulari di Sole: le eclissi anulari hanno una durata superiore rispetto alle comuni eclissi di Sole in quanto la Luna, essendo in apogeo, si muove più lentamente; periodicità delle eclissi: il numero di eclissi che si verificano in un anno varia da due a sette ed in ogni caso il numero di eclissi di Sole è sempre superiore a quello delle eclissi di Luna; tuttavia, dato che le eclissi solari interessano sempre porzioni limitate della superficie terrestre, il tempo necessario affinché da uno stesso punto della Terra si possano osservare due successive eclissi di Sole è in media di 360 anni; Il PAESAGGIO LUNARE mari lunari: i mari lunari, osservati per la prima volta da Galileo Galilei, sono vaste aree pianeggianti di colore scuro ricoperte da uno strato di regolite; i mari lunari sono essenzialmente costituiti da uno strato di basalti (rocce magmatiche effusive molto diffuse anche sulla Terra) ricoperte da uno strato di regolite; la regolite è costituita da una miscela di polveri e detriti rocciosi che si sono formati nel corso di miliardi di anni ad opera dell impatto di meteoriti e della azione del vento solare e dei raggi cosmici; 73

11 i mari lunari sono presenti sulla porzione della superficie lunare orientata verso la Terra e, per qualche ragione sconosciuta, sono assenti sulla faccia nascosta; terre alte o altipiani: le terre alte o altipiani sono regioni sopraelevate che, a differenze dei mari, hanno un colore chiaro ed un aspetto tutt altro che uniforme e monotono; le terre alte sono costituite da rocce intrusive piuttosto rare sulla Terra, le anortositi, ricoperte anche in tal caso da uno strato di regolite: queste strutture geologiche occupano gran parte della superficie lunare rivolta verso la Terra e la totalità della superficie lunare rivolta dalla parte opposta; rilievi: anche sulla Luna sono presenti dei veri e propri rilievi, isolati oppure appartenenti a sistemi montuosi, che possono raggiungere altezze molto elevate, nell ordine dei metri; i rilievi sorgono generalmente attorno ai mari lunari e le loro altezze non possono essere confrontate con quelle terrestri: sulla Luna non esiste infatti un livello di riferimento come quello assunto sul nostro pianeta e rappresentato dal livello medio del mare; crateri: i crateri sono le forme caratteristiche del paesaggio lunare, con dimensioni e forme variabili (i crateri di dimensioni maggiori, indicati con il termine di circhi, possono raggiungere anche i 200 chilometri); 74

12 i crateri sono distribuiti sull intera superficie lunare, ma si concentrano in particolar modo in corrispondenza delle terre alte: queste strutture vengono interpretate come antichi edifici vulcanici ormai estinti oppure come risultato di violenti impatti meteorici; la caduta di grandi meteoriti sul suolo lunare ha caratterizzato le fasi iniziali della storia del Sistema Solare: attualmente la superficie lunare è invece colpita da micrometeoriti che, a causa della assenza di atmosfera, non si disintegrano prima di toccare il suolo; solchi: i solchi sono forme tipiche della superficie lunare caratterizzate da forme variabili e la cui interpretazione è tuttora imprecisata; si ritiene che queste strutture si possano essere formate durante il raffreddamento della superficie lunare, per effetto dello scorrimento di masse di lava oppure in seguito allo spostamento di porzioni di superficie lunare che avrebbero dato luogo a vere e proprie faglie; L ORIGINE della LUNA IPOTESI della FISSIONE ipotesi della fissione: l ipotesi della fissione venne proposta per la prima volta nel XIX secolo da George Darwin, figlio del naturalista Charles Darwin; in base all ipotesi della fissione, nelle fasi successive alla formazione della Terra quest ultima era allo stato fluido ed era caratterizzata da una elevata velocità di rotazione attorno al proprio asse: per effetto della forza centrifuga e della forza di attrazione gravitazionale esercitata dal Sole, si sarebbero formate delle maree di altezza via via maggiore che avrebbero poi determinato il distacco di una porzione superficiale della Terra; probabilmente il distacco della porzione superficiale si sarebbe verificato in corrispondenza dell'oceano Pacifico, creando la fossa oceanica pacifica, mediamente la più profonda del pianeta, con formazione della Luna; i calcoli eseguiti hanno tuttavia messo in evidenza l impossibilità di raggiungere maree di altezze tali da determinare il distacco di una porzione superficiale della Terra; rielaborazione dell ipotesi della fissione: l ipotesi della fissione è stata successivamente rivista, portando così ad una nuova teoria secondo la quale nelle fasi primordiali la Terra allo stato fuso avrebbe subito un brusco aumento della propria velocità di rotazione per effetto dello spostamento dei materiali più densi verso il nucleo; 75

13 l aumento della velocità di rotazione avrebbe determinato il distacco di una porzione superficiale della Terra con formazione della Luna; caratteristiche fisiche a favore dell ipotesi della fissione: l ipotesi della fissione giustifica il fatto che la densità media della Luna è inferiore rispetto a quella della Terra; contraddizioni dell ipotesi della fissione: l ipotesi della fissione non giustifica il fatto che il piano di rivoluzione della Luna non coincida con il piano dell eclittica; l ipotesi della fissione si basa inoltre sulla possibilità che nelle fasi primordiali della sua vita la Terra fosse caratterizzata da una velocità di rotazione estremamente elevata, incompatibile con le attuali caratteristiche del sistema doppio Terra-Luna; IPOTESI della CATTURA ipotesi della cattura: in base all ipotesi della cattura la Luna era originariamente un corpo autonomo, formatosi indipendentemente dalla Terra in una regione lontana del Sistema Solare; successivamente la Luna si sarebbe avvicinata alla Terra a causa della forza di attrazione gravitazionale di quest ultima ed avrebbe poi iniziato ad orbitare attorno al nostro pianeta; aspetti favorevoli all ipotesi della cattura: l ipotesi della cattura assume che la Terra e la Luna abbiano avuto processi di formazione indipendenti e quindi giustifica il fatto che i due corpi celesti abbiano una composizione diversa; problemi irrisolti nell ipotesi della cattura: nell ipotesi della cattura risulta difficile spiegare in quale modo la Luna abbia ridotto la sua velocità avvicinandosi alla Terra iniziando ad orbitare attorno al nostro pianeta, senza disintegrarsi contro di essa; IPOTESI dell ACCRESCIMENTO ipotesi dell accrescimento: in base all ipotesi dell accrescimento la Luna si sarebbe formata per aggregazione di polveri e detriti che ruotavano attorno al nostro pianeta; 76

14 problemi irrisolti nell ipotesi dell accrescimento: nell ipotesi dell accrescimento risulta difficile spiegare per quale motivo la Luna abbia una composizione diversa da quella della Terra; IPOTESI dell IMPATTO ipotesi dell impatto: in base all ipotesi dell impatto la Luna si sarebbe formata circa 4,5 miliardi di anni fa in seguito all impatto della Terra con un planetesimale avente dimensioni simili a quelle di Marte; per effetto dell impatto, il nucleo del planetesimale si associò a quella della Terra mentre il mantello esterno di disintegrò lasciando nello spazio una nube di gas e detriti: mediante aggregazione di questa nube si gas e polveri si venne a formare la Luna; 77