Andiamo più a fondo nella conoscenza del nostro Sistema Solare!

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1 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 chilometri, contro i chilometri della Terra. Il volume del Sole é più di volte maggiore di quello della Terra. 8

2 E quindi una gigantesca palla di gas con temperatura e densità che crescono dall'esterno, dove abbiamo una temperatura di gradi ed una densità di poche particelle nucleari per centimetro cubo. Al suo centro pensiamo invece che vi siano temperature di 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 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=mc 2. In questa formula m è la massa, e c la velocità della luce nel vuoto ( chilometri al secondo). 9

3 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. 10

4 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 : 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 % 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 11

5 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. 12

6 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. 13

7 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 14

8 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 15

9 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. 16

10 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! 17

11 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. Ricorda che se vuoi avere altre informazioni, vedere più immagini o anche rivolgere una domanda direttamente ad un astronomo puoi recarti sul sito Web Entra nel sito e clicca sul tuo Osservatorio, quello di Monte Arancio. 18