24 Luglio 2012 XVII scuola estiva di Astronomia di Stilo Scienza e Profezia: un programma da fine del Mondo

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1 24 Luglio 2012 XVII scuola estiva di Astronomia di Stilo Scienza e Profezia: un programma da fine del Mondo L evoluzione del Sistema solare e la fine della Terra Bedogni Roberto INAF Osservatorio Astronomico di Bologna roberto.bedogni@oabo.inaf.it

2 Alcuni elementi di astronomia

3 Distanze nel Sistema solare La distanza unitaria tramite la quale si misurano le distanza dei pianeti nel Sistema solare è l unità astronomica (U.A.) cioè la distanza media Terra - Sole = km

4 Distanze l anno luce (a.l.) Terra Un altra tipica unità di misura, ma soprattutto per le distanze stellari è l anno luce : lo spazio percorso dalla luce in un anno pari a circa ~ chilometri Utilizzando questa unità di misura la distanza Terra-Sole risulta solo 8,32 minuti luce

5 Distanze l anno luce (a.l.) Nel caso di Plutone uno dei corpi celesti più lontani del Sistema solare la distanza pari a 39,5 U.A. diventa rilevante in quanto misurabile già in ore luce ~ km 5, 3 ore Plutone

6 Il Sistema solare

7 Sole Pianeti giganti gassosi Giove Saturno Urano Nettuno Pianeti rocciosi di tipo terrestre Mercurio Venere Terra Marte

8 Asteroidi Sole Cerere TNOs (es Eris, Sedna)

9 La fascia degli asteroidi Rocce con dimensioni da pochi metri a alcune centinaia di km

10 Plutone e la fascia di Kuiper

11 Comete Cometa Hyakutake Cometa Hale-Bopp Cometa West Cometa Temple I

12 Tutto il Sistema solare dai pianeti alle comete (nube di Oort) Fascia di Kuiper 100 U.A U.A. ~ 0,5 anni luce

13 La fascia esterna di Kuiper del Sistema solare L immagine del Sistema solare si è profondamente evoluta nell ultimo decennio del XX secolo. Plutone non è più l unico tra i corpi celesti più distanti del Sistema solare: un gran numero di corpi ghiacciati sono stati recentemente scoperti ai confini del Sistema solare.

14 Sistema solare esterno in scala Sistema solare interno

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16 Migrazioni planetarie

17 Sommario dei dati del Sistema solare ---- D (UA) R/R t M/M t Prot/P t I e ρ (g/cm 3 ) Sole ,410 9 Mercurio 0,39 0,38 0,05 58,8 7 0,2056 5,43 0 Venere 0,72 0,95 0, ,394 0,0068 5,25 0 Terra ,000 0,0167 5,52 1 Marte 1,5 0,53 0,11 1,029 1,850 0,0934 3,95 2 Giove 5, ,411 1,308 0,0483 1,33 63 Saturno 9, ,428 2,488 0,0560 0,69 50 Urano 19, ,748 0,774 0,0461 1,29 27 Nettuno 30, ,802 1,774 0,0097 1,64 13 Plutone 39,5 0,18 0,002 0,267 17,15 0,2482 2,03 3 Lune D = distanza in Unità Astronomiche P = periodo di rotazione in unità terrestri R= raggio in unità di raggio terrestre I = inclinazione dell orbita M = massa in unità di massa terrestre e = eccentricità dell orbita ρ= densità

18 Formazione dei pianeti-introduzione Causa il vento solare viene persa, nello spazio interplanetario, una massa corrispondente a 1800 masse terrestri Nella parte più interna del disco rimane solo il materiale più pesante: i planetesimi. Questi tendono a fondersi per formare i pianeti interni in qualche milione di anni Nella parte più esterna rimane prevalente il gas sulle polveri e si formano i pianeti esterni. Il materiale che ha formato la Terra ha un abbondanza pari a solo lo 0,4 % della massa originale.

19 La formazione del Sistema solare fatti e problemi a cui deve rendere conto una buona teoria di formazione planetaria 1. Le orbite dei pianeti 2. La rotazione dei pianeti attorno al proprio asse 3. La composizione dei pianeti (e del Sole) 4. L età del Sistema solare 5. La durata del processo di formazione 6. Il problema del momento angolare

20 Le orbite dei pianeti Le orbite dei pianeti sono prossime al piano dell eclittica cioè al piano orbitale terrestre ed il Sole è il loro centro (con inclinazione media ~ 1,75 º ) Sono praticamente circolari (con eccentricità media ~ 0,04) Anomalie di Mercurio (e ~ 0,2) e Plutone (non è un pianeta) I pianeti ruotano tutti nello stesso senso (diretto) attorno al Sole

21 La rotazione dei pianeti attorno al proprio asse I pianeti ruotano attorno al proprio asse in senso diretto (da Ovest ad Est) esclusi Venere, Urano e Plutone

22 La rotazione dei pianeti attorno al proprio asse Il caso di Urano Urano a differenza di tutti gli altri pianeti non ruota attorno al Sole ma rotola!

23 La composizione dei pianeti interni I pianeti interni più vicini al Sole (quelli "Terrestri") presentano una struttura "rocciosa. Mercurio, Venere, Terra e Marte sono costituiti infatti da un nucleo metallico circondato da uno strato di silicati. Nel passato tutti e quattro furono modificati dall'attività vulcanica. Oggi solo la Terra è geologicamente attiva anche se i gas prodotti dai vulcani formarono le atmosfere di Venere e di Marte.

24 La composizione dei pianeti esterni I quattro pianeti esterni (Giove, Saturno, Urano e Nettuno) contengono il 99 % del materiale del Sistema solare escluso il Sole. Sono degli sferoidi di gas di idrogeno ed elio con miscugli di metano, ammoniaca, ed acqua. Il gas di idrogeno nell'interno di Giove e Saturno condensò in idrogeno liquido alle maggiori profondità. Tutti e quattro hanno, probabilmente, un nucleo costituito da metalli, silicati ed acqua. Tre dei pianeti esterni irradiano più calore di quanto ne ricevano dal Sole. Curiosamente solo Urano non presenta questo eccesso di calore

25 Rotazione dei pianeti

26 Rotazione dei pianeti-giove

27 Struttura interna dei pianeti

28 La nascita del Sole e del Sistema solare ovvero l inizio della fine

29 Cronologia

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33 La sequenza di formazione del Sistema solare

34 Una doppia astronave chiamata Terra-Luna

35 Il sistema Terra-Luna Il Sistema Terra-Luna è peculiare: in genere il rapporto massa satellite/massa pianeta è molto piccolo Ganimede / Giove = 0,00008 = 8 x 10-5 Titano / Saturno = 0,00020 = 2 x 10-4 Titania / Urano = 0,00004 = 4 x 10-5 Tritone / Nettuno = 0,0004 = 2 x 10-4 Luna / Terra = 0,01 Caronte / Plutone = 0,115 Quindi la Luna, per essere un satellite, è un corpo celeste molto pesante.

36 La Luna e la Terra un pianeta doppio Diametro della Terra = km Diametro della Luna = 3476 km Il diametro della Terra è 3,67 volte il diametro della Luna Terra Luna Distanza media Terra-Luna = km = 30,1 volte il diametro della Terra

37 Il modello dell Impatto Gigante

38 L Impatto Gigante Che Se il cosa corpo ha che lasciato ha colpito in eredità la prototerra al nostro era pianeta delle? dimensioni e della composizione di Ganimede

39 Accoppiamento orbitale Terra-Luna L accoppiamento orbitale Terra-Luna tramite l effetto mareale produce la riduzione della velocità di rotazione di 17 microsecondi all anno e quindi l allontanamento della Luna dalla Terra di 38 mm all anno La condizione di stabilità sarà raggiunta quando Terra e Luna ruoteranno l una attorno all altra con lo stesso periodo di rotazione di circa 47 giorni

40 Estinzione dei dinosauri

41 Estinzione dei dinosauri-lo strato K-T (Cretaceo-Terziario)

42 Un esempio di impatto CHIXULUB IMPACT Distanza dal punto di impatto Impact: meters Diametro Asteroide: km Densità asteroide: 3000 kg/m 3 Velocità impatto: km/sec Angolo impatto: 90 gradi Densità del bersaglio: 1000 kg/m 3 (acqua) ENERGIA Energia prima di entrare in atmosfera: 1.22 x 1024 Joules = 2.92 x 10 8 MegaTons TNT probabilità dell impatto 1 ogni 3.6 x 10 8 years EFFETTI DELL IMPATTO Non cambia l inclinazione dell asse terrestre < 0.05 gradi Non cambia l orbita terrestre CRATERE DI IMPATTO diametro=170 km il cratere si è formato nel fondale marino con una profondità temporanea di 35 km si avrà un diametro finale di 186 km ed una profondità finale di 1.43 km VAPORIZZATI km 3 di materiale attorno all impatto

43 I pianeti interni la fine di Marte e Venere

44 Planisfero di Marte LUNAE PLANUM Ascraeus Mons Habes Chasma THARSIS MONTES Pavonis Mons VALLE MARINERIS Ophir Chasma Chandor Chasma Melas Chasma SINAI PLANUM SOLIS PLANUM

45 La Valle Marineris Lunghezza 4000 km; larghezza 700 km; profondità 10 km

46 Olympus Mons Altezza m, diametro 600 km Il vulcano spento più alto di Marte sonda Mars Express

47 Cratere di ghiaccio secco nella Vastitas Borealis

48 Il suolo di Marte visto dal robot Spirit Cratere Endurance. Mosaico di immagini dall'interno del cratere Endurance riprese da Opportunity. Il veicolo è stato aggiunto all'immagine con la tecnica virtuale utilizzata nella cinematografia e le sue dimensioni sono reali. La prominenza del cratere in avanti è un effetto ottico dovuto alla proiezione con cui è stato ricostruito questo mosaico di 46 immagini differenti.

49 Acqua su Marte? Il grande canale di Ares Vallis Larghezza: 25 km Profondità: 1 Km Materiale trasportato ~ km 3 Flusso stimato > m 3 /s sonda Mars Odissey

50 Acqua su Marte? Chryse Planitia Il grande canale, lungo 1600 km, sparisce improvvisamente nel bassopiano di Chryse (2,5 km più in basso) sonda Mars Odissey

51 Acqua su Marte? L Oceanus Borealis L ipotesi più plausibile è che siano sfociati in un mare: l Oceanus Borealis. Su Marte l acqua esisteva, c era un intero oceano! sonda Mars Odissey

52 Acqua su Marte? Forse nel sottosuolo

53 Venere Distanza dal Sole (U.A.) = 0,72 Distanza dal Sole (km) = Periodo di rivoluzione (anni) = 0,615 Eccentricità = 0,0068 Inclinazione rispetto all'eclittica = 3 23' Velocità orbitale media (km/sec) = 35,02 Venere visto dal Telescopio Spaziale HST Massa (Terra = 1) = 0,815 Raggio equatoriale (km) = Raggio equatoriale (Terra = 1) = 0,949 Densità media (Terra = 1) = 0,95 Accelerazione di gravità (Terra = 1) = 0,881 Velocità di fuga (km/sec) =10,36 Periodo di rotazione = -243gg 0h 14,4m RETRO Periodo di rotazione = -5823,5 ore RETRO Inclinazione sul piano dell'orbita = 177,3 Albedo = 0,65 Magnitudine visuale = -4,4 Numero satelliti = 0 Noto sin dall antichità

54 L atmosfera di Venere Pressione superficiale 92 bars Densità superficiale ~ 65 kg/m 3 Altezza di scala 15,9 km Massa totale dell atmosfera ~ 4,8 x kg Temperatura media 464 C Velocità dei venti da 0,3 a 1,0 m/s sulla superficie Peso molecolare medio 43,45 gr/mole Composizione CO 2 96,5 %, N 2 3,5 % in ppm SO 2 150, Ar 70, H 2 O 20 CO 17, He 12, Ne 7

55 L atmosfera di Venere

56 L effetto serra sulla Terra e su Venere E la presenza di acqua H 2 O ed anidride solforosa SO 2 presenti nelle nubi di Venere che fornisce il contributo fondamentale all effetto serra, a differenza della Terra in cui l elemento più importante è l anidride carbonica CO 2 Troppe sono le finestre lasciate aperte dalla CO 2 nella banda termica della atmosfera di Venere per poter dar luogo ad un effetto serra consistente!

57 senza campo magnetico evapora il vapor d acqua Venere effetto sputtering

58 La vita sulla Terra

59 La zona di abitabilità planetaria

60 La zona di abitabilità planetaria La distanza da una stella dal quale un pianeta potrebbe sostenere forme di vita può essere calcolata conoscendo la dimensione e la luminosità della stella stessa. L'equazione è la seguente: dove D UA = (L stella / L sole ) ½ D UA = raggio della zona abitabile espresso in unità astronomiche, L stella indica la luminosità della stella, e L sole indica la luminosità del Sole. Un pianeta, per essere abitabile, deve trovarsi sufficientemente vicino al centro galattico, dove si concentrano alti livelli di elementi pesanti, grazie ai quali possono originarsi pianeti rocciosi. Ma non deve trovarsi troppo vicino al centro della galassia: questo, per evitare un numero di impatti troppo alto con comete e asteroidi e le radiazioni delle supernovae

61 La Terra, il pianeta vivente Perché la Terra è sistema vivente 1) Si trova nella fascia abitabile del Sistema solare 2) Ha una atmosfera di tipo secondario cioè evoluta 3) E geologicamente attiva 4) C è la Luna 5) Lo dicono i biologi Nobel chimica 2010 a Heck, Negishi e Suzuki Premiati per gli studi sul carbonio e per aver sviluppato uno strumento che potrebbe consentire di creare composti chimici complessi come quelli che si trovano in natura

62 Evoluzione e temperatura

63 Evoluzione e temperatura

66 La Terra, evoluzione umana

67 L Olocene, Younger Dryas ed Emiano Una ricostruzione dell Europa nell ultimo periodo freddo (Younger Dryas) prima dell Olocene anni fa L'Olocene è l'epoca interglaciale più recente, quella in cui ci troviamo oggi ed ha avuto inizio circa anni fa. L ultimo periodo freddo prima dell Olocene è lo Younger Dryas tra ed anni fa. L Emiano è la precedente epoca interglaciale che i dati paleoclimatici situano circa anni fa!

68 Dryas Recente (Younger Dryas) ultimo episodio glaciale (Würm)

69 L evoluzione della atmosfera terrestre

70 La vita emerge e crea le condizioni per prosperare 4 miliardi di anni fa - L'attività vulcanica, decisamente maggiore dell'odierna, produsse l'atmosfera primordiale, molto ricca di biossido di carbonio. Il vapore acqueo condensandosi produsse gli oceani. 3,5 miliardi di anni fa -nacque la prima forma di vita Le prime forme di vita abitano gli oceani Lo sviluppo della fotosintesi permise ad alcune forme di vita,che vivevano negli bassi fondali, di assorbire l'energia solare L ossigeno, prodotto di scarto della fotosintesi, si accumulò nell'atmosfera e creò uno strato di ozono (una forma di ossigeno molecolare [O 3 ]) nell'atmosfera superiore. Protette dallo strato di ozono che impediva ai raggi ultravioletti, dannosi per la vita, di attraversare l'atmosfera le varie forme di vita colonizzarono la superficie della Terra.

71 Proprietà fisiche dell atmosfera terrestre Alpi e pianura padana L atmosfera è costituita dallo strato di gas che circonda un pianeta L atmosfera della Terra è sottile (~1,5% del raggio) La pressione è data dalle collisioni delle molecole dei gas La pressione diminuisce con l altezza, quindi il gas è più compresso verso il basso Il gas è in equilibrio idrostatico

72 Il riscaldamento della Terra Riscaldamento (senza atmosfera) dipende dalla distanza dal Sole dall albedo, A = energia riflessa/energia incidente Albedo A = 0 nessuna riflessione, tutta l energia viene assorbita; A=0,1-0,25 rocce A=0,7 nubi A=0,8 ghiaccio A = 1 tutta l energia viene riflessa A Terra = 0,38 Bilancio energetico Energia emessa ed energia ricevuta devono eguagliarsi

73 L assorbimento dell atmosfera terrestre Aurore Esosfera [Ionosfera] Riscaldamento da fotoni X ed UV, ionizzazione, fuga di gas. Il gas è costituito da ioni ed elettroni Fotoni X UV Visibili Forte riscaldamento per alto assorbimento di UV Riscaldamento per effetto serra, correnti convettive

74 La fine della Terra ed altri eventi

75 Pronostici per l apocalisse Riscaldamento globale incontrollato : 1/2 % nei prossimi 200 anni Supervulcano : 1/100 % nei prossimi 1000 anni Impatto di asteroide gigante: 1/ % nei prossimi 100 anni Gamma Burst (galattico =: 1/15 % nei prossimi 100 My

76 Pronostici per l apocalisse: l evento di Carrington Macchie solari disegnate da Carrington Supertempesta solare : 1/20 % nei prossimi 15 anni. Un eruzione solare potrebbe assumere dimensioni tali da mettere fuori uso le reti energetiche ed i sistemi di comunicazione. L'Evento di Carrington fu la più grande tempesta geomagnetica o solare mai registrata. Fu visualizzata il primo settembre 1859 e deve il suo nome a Richard Carrington un astronomo inglese che, grazie al suo studio delle macchie solari, fu precursore anche della Legge di Spörer L'evento produsse i suoi effetti su tutta la Terra dal 28 agosto al 2 settembre.

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79 La tettonica e la fine dell attività geologica

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85 Il moto nella Galassia influenza la vita sulla Terra?

86 Il moto nella Galassia influenza la vita sulla Terra?

87 Ecosfera Galattica ed abitabilità planetaria Un pianeta, per essere abitabile, deve trovarsi sufficientemente vicino al centro galattico, dove si concentrano alti livelli di elementi pesanti, grazie ai quali possono originarsi pianeti rocciosi.

88 Pericoli da evitare - magnetar Il 27 dicembre 2004 è arrivato un lampo di raggi gamma dalla Magnetar SGR Il lampo ha avuto effetto sull atmosfera terrestre giungendo da una distanza di oltre a.l. I siti protoplanetari non devono trovarsi troppo vicino al centro della Galassia: questo, per evitare un numero di impatti troppo alto con comete e asteroidi e le radiazioni delle supernovae, gamma ray burst, magnetar

89 Esplosioni di supernovae Il sistema binario IK Pegasi a 150 anni luce dalla Terra è costituito da una stella di sequenza principale ed da una Nana Bianca di massa pari a 1,15 la massa del Sole. E il candidato più vicino, nei prossimi milioni di anni, ad esplodere come Supernova di Tipo Ia.

90 GRB lampi di raggi gamma I GRB rilasciano un energia di circa J (circa 2,4 x Megatoni) o corrispondente ad 1/2000 di massa solare equivalente Estinzione nell Ordoviciano???

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93 L evoluzione della stella Sole

94 Sole Il Sole nella riga H Distanza (km) km 2 Massa (kg) 1, Massa M T Raggio equatoriale (km) Raggio equatoriale 109 R T Periodo di rotazione (giorni) Densità media (kg/m 3 ) 1410 Densità al centro (kg/m 3 ) Pressione al centro (bars) 2, Pressione fotosferica (bars) 0,0001 Temperatura al centro ( K) 15,6 milioni K Temperatura fotosferica ( K) 5780 Temperatura coronale ( K) Da 2 a 3 milioni K Velocità di fuga (km/sec) 618 Accelerazione di gravità (m/sec 2 ) 274 Luminosità (J/s) 3, Magnitudine visuale -26,8 Magnitudine assoluta bol. 4,74 Età (miliardi di anni) 4,55

95 La struttura interna del Sole

96 Il Sole oggi Mercurio Venere Terra Marte Il Sole oggi Il bruciamento dell H avviene nel nucleo e l energia è trasportata verso la zona convettiva in modo radiativo. Il gas del nucleo è un gas perfetto ad alta temperatura Età =4,55 Ga M =1, kg R = km L =3, Watt T =5789 K

97 Il Sole termina la fase di sequenza principale Mercurio Venere Terra Marte Il Sole esaurisce l idrogeno nel nucleo Età=10,9 Ga Età=6,35 Ga R= 1,58 R L= 2,2 L

98 La fase di post-sequenza Sole subgigante Mercurio Venere Terra Il Sole diviene una subgigante Marte Età=11,6 Ga Età=0,7 Ga R= da 1,58 a 2,3 R L= 2,2 L (costante) T= da 5517 a 4900 K

99 La fase di post-sequenza Sole gigante rossa Mercurio Venere Terra Marte Il Sole diviene una gigante rossa Età=12,233 Ga Età=0,63 Ga R= da 2,3 a 166 R L= da 2,2 a 2350 L T= da 4900 a 3107 K

100 La fase di post-sequenza Sole brucia l Elio Venere Terra Il Sole brucia l elio nel nucleo (flash He) Inizio Età=12,234 Ga Età=0,001 Ga R= da 2,3 a 9,5 R L= da 2350 a 41 L T= da 4900 a 4724 K Marte Fine Età=12,344 Ga Età=0,11 Ga R= da 9,5 a 18 R L= da 41 a 110 L T= da 4724 a 4450 K

101 La fase di post-sequenza Il Sole esaurisce l Elio Venere Terra Marte Il Sole esaurisce la combustione dell elio nel nucleo Età=12,344 Ga Età=0,11 Ga R= da 9,5 a 18 R L= da 41 a 110 L T= da 4724 a 4450 K

102 La fase di post-sequenza Sole gigante rossa Venere Terra Marte Il Sole diviene per la seconda volta una gigante rossa Età=12,365 Ga Età=0,021 Ga

103 La fase di post-sequenza Sole pulsante Venere Terra Marte Il Sole pulsa e diviene instabile Età=12,366 Ga Età=0,001 Ga

104 La fase di post-sequenza Sole Nana Bianca Venere Terra Marte Il Sole diviene una Nana Bianca Età>12,4 Ga Età=0,034 Ga

105 Variazione del Raggio del Sole

106 luminosità nebulosa planetaria gigante rossa subgigante nana bianca nana gialla Il percorso evolutivo del Sole temperatura

107 L evoluzione della Terra e le estinzioni di massa ovvero ad ogni fine si succede un nuovo inizio