Le Scienze della Terra

Scienze integrate Le Scienze della Terra SANDRO BARBONE FRANCO LUCISANO EDITORE

Scienze integrate Le Scienze della Terra SANDRO BARBONE

Copyright 2010 FRANCO LUCISANO EDITORE Via Padova, 355-20132 MILANO Tel. 02/27209291 - Fax 02/27209474 e-mail: info@edizionilucisano.it Prima edizione: gennaio 2010 Tutti i diritti riservati. Nessuna parte di questo libro può essere riprodotta, con tenuta in un sistema di recupero o trasmessa in ogni forma o con ogni mezzo elettronico, meccanico di fotocopie, incisione o altrimenti, senza permesso scritto dell Editore. L Editore, per quanto di propria spettanza, considera rare le opere fuori dal proprio catalogo editoriale. La ristampa degli esemplari esistenti nelle biblioteche di tali opere è consentita, non essendo concorrenziale all opera. Non possono considerarsi rare le opere di cui esiste, nel catalogo dell Editore, una successiva edizione, le opere presenti in cataloghi di altri editori o le opere antologiche. Copertina: Francesca Tomasello Progetto e realizzazione grafica: Francesca Tomasello Redazione: Lucisano Editore Fonti iconografiche principali: Dreamstime Disegni: Dmitrij Leoni L Editore è a disposizione degli aventi diritto con i quali non sia stato possibile comunicare, nonché per eventuali involontarie omissioni o inesattezze nella citazione delle fonti, dei brani o delle illustrazioni riprodotte. Per illustrare il libro sono state utilizzate alcune immagini di prodotti in commercio. In nessun caso tali immagini vanno interpretate come una scelta di merito da parte dell Editore né, tanto meno, come un invito all acquisto dei prodotti raffigurati. Realizzare un libro è un operazione complessa, che richiede numerosi controlli: sul testo, sulle immagini e sulle relazioni che si stabiliscono tra essi. L esperienza suggerisce che è praticamente impossibile pubblicare un libro privo di errori. Saremo quindi grati ai lettori che vorranno segnalarceli.

INDICE 1 LO SPAZIO CHE CI CIRCONDA 6 L Universo infinito e le galassie 7 Le stelle 7 Vita e morte di una stella 8 La nascita dell Universo 10 Il destino dell Universo 11 Nascita del sistema solare 12 Il Sole 13 Il sistema solare 14 Le leggi che regolano il moto dei pianeti 13 Le leggi di keplero 17 Newton e la legge di gravitazione universale 18 Test di autoverifica 21 2 LA TERRA E LA LUNA 22 Il nostro pianeta 23 Le coordinate geografiche 23 I movimenti della Terra 26 Il moto di rotazione: il dì e la notte 26 Il moto di rivoluzione e le stagioni 27 Le stagioni astronomiche 28 Le zone astronomiche 30 La Luna 31 I movimenti della luna 31 Le fasi lunari 32 Le eclissi 33 La Luna e le maree 34 Test di autoverifica 35 3 LA LITOSFERA 36 Litosfera, idrosfera e atmosfera 37 La struttura interna della Terra 37 Minerali e rocce 39 Minerali e struttura cristallina 40 Riconoscimento dei minerali 43 Le rocce 44 Rocce magmatiche 44 Rocce sedimentarie 45 Le rocce metamorfiche 45 Test di autoverifica 47 3

4 BREVE STORIA DEL PIANETA TERRA 48 La nascita della Terra 48 La deriva dei continenti 51 L espansione dei fondali oceanici 52 La teoria della tettonica delle placche 53 I movimenti delle placche 54 Test di autoverifica 57 5 I VULCANI 58 Magmi e attività vulcanica 59 Prodotti vulcanici 60 Vulcani a scudo e vulcani a strato 61 Struttura del vulcano 62 Il vulcanismo secondario 63 Origine e distribuzione dei vulcani 64 Previsione e prevenzione del rischio vulcanico 66 Test di autoverifica 67 6 I TERREMOTI 68 Cos è un terremoto? 69 Le onde sismiche 70 Misurare i terremoti: le scale sismiche 71 Cause dei terremoti 72 Rischio sismico e sua previsione 73 Prevenzione dei terremoti 75 Test di autoverifica 76 7 L ACQUA E L IDROSFERA 76 L idrosfera 77 Il ciclo dell acqua 81 I mari e gli oceani 81 La salinità 82 I movimenti del mare 83 Le acque continentali 85 I ghiacci 85 Le acque sotterranee 87 I laghi 88 I corsi d acqua 90 Test di autoverifica 91 4

8 L ATMOSFERA E IL CLIMA 92 L atmosfera 93 Temperatura dell aria 96 Pressione atmosferica 98 Variazioni di pressione atmosferica 98 I venti 99 L umidità dell aria e le precipitazioni 101 Le nubi 103 Le precipitazioni atmosferiche 104 Tempo e clima 105 Elementi e fattori climatici 105 Climi e biomi 106 Test di autoverifica 107 9 MODELLAMENTO DELLA SUPERFICIE TERRESTRE 108 Modellamento della superficie terrestre 109 Alterazione chimica delle rocce 109 L azione degli esseri viventi 112 Disgregazione fisica delle rocce 112 Gli sbalzi di temperatura 112 Gelo e disgelo 113 L azione del vento 113 L azione delle acque meteoriche 115 L azione dei fiumi 116 L azione dei ghiacciai 121 Il mare e il modellamento delle coste 122 La forza di gravità e le frane 125 Il suolo 127 Composizione del suolo 128 Test di autoverifica 129 10 L UOMO E L AMBIENTE 130 Risorse naturali 131 Materie prime ed energia 131 L acqua come risorsa 134 Rischi naturali e loro prevenzione 135 Il dissesto idrogeologico 135 L uomo e l inquinamento 137 L inquinamento atmosferico 137 L inquinamento delle acque 140 L inquinamento del suolo 141 Test di autoverifica 144 È possibile trovare diverse risorse aggiuntive on-line, relative a questo libro, sul sito: http://www.scuola.zanichelli.it/online/ 5

1 Lo spazio che ci circonda Prerequisiti Gli allievi devono essere in grado di: Distinguere calore e temperatura Distinguere i tre stati di aggregazione Definire i concetti di massa, peso, volume, densità, forza, pressione, energia Obiettivi Gli allievi dovranno essere in grado di: Spiegare come nasce una stella e quali evoluzioni può avere Distinguere i vari tipi di stelle e di galassie Descrivere il Sistema solare e la sua evoluzione Delineare la struttura del Sole Individuare la posizione del Sole nella Galassia Spiegare le leggi che regolano il moto dei pianeti Spiegare la teoria del Big Bang Distinguere la teoria dell'universo aperto da quella dell'universo chiuso ed oscillante

Unità 1 Lo spazio che ci circonda L UNIVERSO INFINITO E LE GALASSIE L Universo: è costituito da un numero incredibile di corpi celesti: stelle, pianeti, satelliti, asteroidi, meteore, comete. Alcuni, come le stelle, sono dotati di luce propria, altri come i pianeti e i loro satelliti, sono privi di luce propria ma appaiono luminosi ai nostri occhi perché riflettono la luce del Sole. La Terra, il nostro pianeta, ruota insieme ad altri 8 pianeti, ai loro satelliti, e a migliaia di asteroidi, meteore e comete, intorno al Sole, formando il Sistema solare. Ma il Sistema solare è solo una piccola parte periferica della Via Lattea, la Galassia di cui fanno parte, oltre al Sole, circa 100 miliardi di stelle. E l Universo, infinitamente esteso, è costituito da milioni e milioni di galassie. Le galassie sono costituite da centinaia di miliardi di stelle che vengono distinte, in base alla loro forma, in galassie a spirale, a spirale barrata, ellittiche e irregolari. Perché i pianeti appaiono luminosi? Il Sole dista solo 150 milioni di km dalla Terra, mentre le altre stelle sono a migliaia di miliardi di km! La unità di misura più comoda per misurare la distanza tra i diversi corpi celesti è l anno luce, che corrisponde alla distanza percorsa dalla luce in un anno intero, (circa 9460 miliardi di km). galassia ellittica galassia a spirale galassia a spirale barrata LE STELLE Le stelle sono costituite in gran parte da idrogeno, elio e altri elementi allo stato gassoso; la loro luminosità è dovuta all energia liberata nelle reazioni di fusione nucleare che avvengono all interno della stella, dove le temperature sono elevatissime (milioni, miliardi di gradi). Il colore e la luminosità delle stelle dipende dalla temperatura superficiale della stella, dalle sue dimensioni e dalla distanza dalla Terra. Che cosa significa fusione nucleare = unione dei nuclei di due o più atomi, che comporta liberazione di notevoli quantità di energia. 7

SCIENZE INTEGRATE Le Scienze della Terra Dimensioni nane Sole Temperatura supergiganti giganti In questo diagramma sono rappresentate, lungo la diagonale, le stelle della sequenza principale, dalle più calde e grandi azzurre alle più fredde e rosse. Fuori della diagonale si trovano, in alto a destra, le giganti e le supergiganti rosse, grandi ma fredde, in basso a sinistra, le nane bianche, piccole ma caldissime. Possiamo perciò classificare le stelle in base alla loro temperatura superficiale (che determina il loro colore in): azzurre, le più calde (da 11.000 ºC a oltre 30.000 ºC); bianche (tra 6.000 e 11.000 ºC); gialle (come il Sole, temperatura tra 5000 e 6000 ºC); arancioni (tra 4000 e 5000 ºC); rosse (tra 3000 e 4000 ºC). Inoltre le stelle si possono classificare in base alle loro dimensioni: nane: 100 volte più piccole del Sole; medie: della grandezza del Sole; giganti: almeno 10 volte più grandi del Sole; supergiganti: almeno 300 volte più grandi del Sole. Dimensioni delle stelle a confronto: 1) gigante rossa e Sole; 2) Sole e nana bianca. Sole 1 gigante rossa 2 nana bianca Sole Una nebulosa come può essere osservata da un telescopio. Vita e morte di una stella Le stelle nascono da enormi nubi di gas (soprattutto idrogeno ed elio) e polveri, dette nebulose. I finissimi granelli di polvere cosmica e le molecole dei gas, sottoposti alla forza di attrazione gravitazionale, tendono ad avvicinarsi e raggrupparsi in blocchi di materia sempre più grandi. Crescendo la massa di questi blocchi di materia, aumenta anche la loro forza di attrazione gravitazionale e altre particelle vengono perciò a essere attratte, aumentando sempre più la massa di materia. Le particelle più interne vengono sottoposte a una pressione sempre più intensa e la temperatura aumenta enormemente fino a determinare la fusione dei nuclei degli atomi di idrogeno: è la fusione nucleare. La fusione nucleare libera una quantità enorme di energia, che rende tutto il blocco di materia caldissimo e luminosissimo. 8

Unità 1 Lo spazio che ci circonda L energia che si libera dalla fusione nucleare fa dilatare la materia che costituisce la stella, mentre l attrazione gravitazionale tende a comprimerla. La stella si mantiene in equilibrio tra le due forze contrastanti finché ha idrogeno da utilizzare per la fusione nucleare. Quando questo si è quasi tutto consumato, la stella si avvia verso la sua fine, che è diversa a seconda della sua grandezza. He H H fusione nucleare Durante la fusione nucleare, i nuclei di 4 atomi di idrogeno si fondono insieme e danno origine a un nucleo di un atomo di elio, liberando un enorme quantità di energia. H H Una stella delle dimensioni del Sole, quando tutto l idrogeno si è trasformato in elio, comincia a contrarsi (perché è diminuita la forza espansiva della fusione nucleare), e aumenta così la sua pressione interna. Anche i nuclei di elio, sottoposti a questa pressione, si fondono, dando origine a nuclei di elementi più pesanti. Per queste fusioni nucleari, la temperatura interna della stella aumenta enormemente e l involucro esterno dei gas si espande e si raffredda: la stella diventa una gigante, o una supergigante rossa. Esaurito anche questo carburante nucleare, la stella torna a contrarsi per effetto dell attrazione gravitazionale e forma una nana bianca: questa si raffredda fino a diventare una massa di materia che non brilla più di luce propria. equilibrio collasso gravitazionale gigante rossa Formazione di una gigante rossa. forza espansiva della fusione nucleare attrazione gravitazionale 9

SCIENZE INTEGRATE Le Scienze della Terra Se la stella ha una massa 2 o più volte quella del Sole, quando il combustibile nucleare si è esaurito, la fortissima attrazione gravitazionale provoca una contrazione (collasso gravitazionale) così intensa da generare una immensa esplosione che la disintegra. Per questa esplosione, la luminosità della stella aumenta enormemente: si forma una supernova. Se la stella ha una massa ancora molto più grande del Sole, esaurito il combustibile nucleare, l attrazione gravitazionale fa precipitare verso l interno della stella ogni cosa, persino le radiazioni, compresa la luce: si forma così un buco nero, un oggetto cosmico ai confini della realtà. Un buco nero non è visibile direttamente perché tutto precipita al suo interno e niente può uscirne, neanche le radiazioni luminose. Possiamo sospettare la sua presenza per l influenza che ha sugli astri circostanti, che vengono attratti dalla sua immensa forza di gravità. LA NASCITA DELL UNIVERSO Le galassie intorno a noi si allontanano progressivamente e tanto più velocemente quanto più sono distanti. Questa osservazione ci fa capire che l Universo è in espansione, si sta ingrandendo sempre più. Immaginiamo ora di seguire l espansione dell Universo con una videocamera e di riportare indietro la pellicola al momento in cui l espansione ha avuto inizio: l Universo che ora si estende per miliardi di chilometri doveva essere inizialmente concentrato tutto in un ammasso piccolissimo detto atomo primordiale con una densità elevatissima e una temperatura di miliardi di gradi. Circa 18 miliardi di anni fa questo atomo primordiale esplose, liberando nello spazio un enorme quantità di energia. Questa gigantesca esplosione, a cui è stato dato il nome di Big Bang, in una piccolissima frazione di secondo determinò un aumento del volume dell Universo di miliardi di volte, raffreddandosi progressivamente. In pochi istanti si formarono le prime particelle elementari, i quark e gli elettroni, e in seguito protoni e neu- Ecco come possiamo immaginare sia avvenuto il Big Bang, la gigantesca esplosione da cui avrebbe avuto origine l Universo. 10

Unità 1 Lo spazio che ci circonda troni. La temperatura scese a 1 miliardo di gradi e si formarono i primi nuclei atomici di idrogeno, elio e litio (gli elementi più leggeri). Quando la temperatura scese a 3000 gradi, circa 300.000 anni dopo, si formarono i primi atomi neutri di idrogeno ed elio. L Universo continuò a espandersi e a raffreddarsi, mentre la materia iniziò a condensarsi in una finissima polvere cosmica. La forza di attrazione gravitazionale determinò la successiva evoluzione dell Universo: i finissimi granelli di polvere cosmica cominciarono ad attrarsi e raggrupparsi in blocchi di materia sempre più grandi e l aumento della pressione e della temperatura determinò la fusione nucleare, con la liberazione di un enorme quantità di energia, che diede vita alle prime stelle. Il destino dell Universo La vita delle stelle si gioca sull equilibrio tra due forze contrapposte: la forza di attrazione gravitazionale elaforza di espansione dovuta alla fusione nucleare. Nell Universo in espansione le stelle nascono, evolvono e muoiono: ma qual è il destino dell intero Universo? Se accettiamo l idea di un Universo in espansione, possiamo immaginare almeno due diversi scenari per la fine dell Universo, secondo le due teorie attualmente ritenute più valide: Potente telescopio in funzione. Teoria dell Universo aperto: l Universo continuerà a espandersi, sotto la spinta del Big Bang, finché il carburante nucleare non sarà tutto consumato e le stelle si spegneranno; allora esisterà un Universo infinitamente grande, ma buio e freddo. Teoria dell Universo chiuso, od oscillante: la spinta espansiva generata dal Big Bang si esaurisce e le galassie invertiranno la loro rotta, avvicinandosi progressivamente per effetto della forza di attrazione gravitazionale, fino a confluire nuovamente in un unico atomo primordiale. 1. Teoria dell Universo aperto: l Universo si espande raffreddandosi sempre di più. 2. Teoria dell Universo chiuso od oscillante: l'universo oscilla tra una fase di espansione dopo il Big Bang e una di contrazione. 1 2 11

SCIENZE INTEGRATE Le Scienze della Terra NASCITA DEL SISTEMA SOLARE La storia del Sistema solare e della Terra ha inizio circa quattro miliardi e seicento milioni di anni fa. Una nebulosa fredda e molto rarefatta, ossia una immensa nube di gas e polveri costituita da idrogeno, elio e da elementi chimici più pesanti (prodotti dall esplosione di una supernova) cominciò a contrarsi, ad afflosciarsi su se stessa, per cui le molecole dei gas si avvicinarono sempre di più, precipitando in un enorme vortice. (vedi fig. A) A La nube, ruotando, assunse la forma di un disco appiattito, al cui centro le particelle si andavano sempre più addensando, fino a raggiungere una massa tale da innescare la fusione nucleare e a dar vita a una nuova stella, il Sole. (vedi fig. B) B La maggior parte dei gas e delle polveri della nube precipitarono al centro del disco, aumentando, così, la massa del Sole in via di formazione; intorno al Sole, intanto, si andavano aggregando particelle di polvere e cristalli di ghiaccio, formando corpi sempre più voluminosi, ma non abbastanza grandi da innescare la fusione nucleare (che li avrebbe trasformati in stelle). Questi corpi, freddi e privi di luce propria, sono i pianeti. (vedi fig. C) Essi ruotano tutti nello stesso senso intorno al Sole e le loro orbite (tranne quella di Plutone) sono tutte sullo stesso piano, quello dello stesso disco appiattito da cui derivano. (vedi fig. D) C D 12

Unità 1 Lo spazio che ci circonda IL SOLE Il Sole è una stella gialla di dimensioni medie. Dista solo 150 milioni di km dalla Terra ed è per questo che ci sembra così luminosa. 3 5 CARTA D'IDENTITÀ DEL SOLE Nome: Sole Galassia di appartenenza: Via Lettea Tipo di stella: media gialla Età: circa cinque miliardi di anni Evoluzione futura: gigante rossa, poi nana bianca e scomparsa in circa 5 miliardi di anni Raggio medio: circa 700.000 km (109 volte il raggio terrestre) Volume: 1,412 miliardi di miliardi di km 3 (1 milione e 300 mila volte il volume terrestre) Massa: 330 mila volte quella terrestre Densità: 1,41 g/cm 3 (1/4 dela densità terrestre) Accelerazione di gravità: 28 volte quella terrestre (275 m/s 2 ) Temperatura: interna (nucleo) 10 milioni di gradi; esterna (fotosfera) 6000 C) 1 4 6 La struttura del Sole: 1. nucleo; 2. zona radiativa; 3. zona convettiva; 4. fotosfera; 5. protuberanza; 6. macchie solari; 7. corona. 2 7 Nel Sole possiamo distinguere diversi strati: il nucleo, dove avvengono le reazioni di fusione nucleare e la temperatura arriva a 10 milioni di gradi; l energia prodotta nel nucleo si propaga verso l esterno attraverso due zone: a) la zona radiativa, nella quale il calore del nucleo si propaga per irraggiamento; b) la zona convettiva, nella quale i gas si muovono verso l esterno, formando colonne infuocate, propagando il calore per moti convettivi. La fotosfera, la superficie visibile del Sole, è costituita da gas infuocati che risalgono dalla zona convettiva. Ha una temperatura di circa 6000 ºC. Non essendo trasparenti, i gas rendono invisibili gli strati più interni del Sole. La fotosfera, appare punteggiata da granuli più chiari e granuli più scuri. Le ampie zone più scure, in cui la temperatura è molto più bassa (4500 ºC); sono le macchie solari, che cambiano continuamente di forma, numero e dimensioni, rispettando un ciclo di circa 11 anni. L atmosfera solare circonda la fotosfera e comprende: a) la cromosfera, un involucro trasparente di gas che si rende visibile solo nelle eclissi solari come sottile alone roseo; dalla cromosfera partono immense fiammate di idrogeno, le protuberanze, che attraversano la corona; b) la corona, anche essa visibile nelle eclissi solari, costituita da particelle ionizzate, che si disperdono nello spazio formando il vento solare. La fotosfera non è omogenea, ma è costellata da aree scure di dimensioni variabili dette macchie solari. Dalla cromosfera si innalzano le protuberanze, grandi nubi simili a fiamme, vortici o archi. 13

SCIENZE INTEGRATE Le Scienze della Terra IL SISTEMA SOLARE Per la sua grande massa, il Sole trattiene intorno a sé 8 pianeti, che ruotano intorno a esso seguendo orbite ellittiche, situate tutte sullo stesso piano. Sole 9 8 7 6 5 2 1 2 3 4 1 Mercurio 2 Venere 3 Terra 4 Marte 5 Giove 6 Saturno 7 Urano 8 Nettuno 9 Plutone Il sistema solare (nel particolare i pianeti più vicini al Sole). Recentemente, gli astronomi hanno "declassato" Plutone a pianeta nano. Il pianeta più vicino al Sole è Mercurio; seguono poi nell ordine: Venere, Terra, Marte, Giove, Saturno, Urano e Nettuno. Saturno Giove Nettuno Terra Mercurio Plutone Urano Marte Venere Dimensioni dei pianeti a confronto. 14

Unità 1 Lo spazio che ci circonda Marte Terra Venere Plutone Giove Mercurio Saturno Nettuno Urano Il movimento di rotazione dei pianeti intorno al Sole è detto moto di rivoluzione (nel disegno, i cerchi azzurri); ogni pianeta, inoltre, ruota intorno al proprio asse (moto di rotazione) in senso antiorario, (nel disegno, le frecce curve verdi), tranne Venere e Urano che ruotano su se stessi in senso orario (nel disegno, le frecce curve rosse). I pianeti del Sistema solare possono essere distinti in: piccoli pianeti terrestri, rocciosi (Mercurio, Venere, Terra e Marte). Sono più piccoli e sono solidi. Intorno a essi l atmosfera è assente o, comunque, non contiene elementi leggeri come l idrogeno, che vengono risucchiati dalla forte attrazione del Sole, o si sperdono nello spazio interplanetario. Ruotano lentamente e hanno pochi satelliti (lune); grandi pianeti gassosi (Giove, Saturno). La loro grande massa e la distanza dal Sole permettono a questi pianeti di mantenere una densa atmosfera, composta da elementi leggeri (idrogeno, elio). Essi ruotano velocemente su se stessi e hanno molti satelliti; pianeti di ghiaccio (Urano e Nettuno). Sono caratterizzati da una temperatura bassissima: -250 ºC. Plutone, oggi classificato "pianeta nano", è il più lontano dal Sole e ha un orbita situata su un piano diverso dall orbita degli altri pianeti del sistema solare. Mentre i pianeti ruotano intorno al Sole, attratti dalla grande massa della nostra stella, i satelliti ruotano intorno ai pianeti (e, con essi, intorno al Sole): la Terra ha 1 satellite, chiamato Luna, Marte ne ha 2, Giove 16, Saturno 18, Urano 5, Nettuno 8, Plutone 1, Mercurio e Venere non ne hanno. La superficie rocciosa di Marte è molto simile ad aree desertiche della Terra. La Grande Macchia Rossa di Giove è un gigantesco vortice di nubi che ruota insieme all atmosfera gassosa del pianeta. 15

SCIENZE INTEGRATE Le Scienze della Terra Quando passano vicino al Sole le comete emettono la caratteristica coda e sono visibili da Terra. La cometa di Halley tornerà nel 2062, esattamente 76 anni dopo il suo ultimo passaggio nel 1986. Altri corpi celesti, di dimensioni minori, ruotano intorno al Sole, quali asteroidi, comete e meteore. Gli asteroidi sono piccoli pianetini (di diametro compreso tra qualche km e alcune centinaia di km), particolarmente frequenti tra Marte e Giove, dove formano una vera fascia. Tra le comete, la più nota è la cometa di Halley, che compare alla nostra vista ogni 76 anni, con la sua caratteristica forma. Costituite da ghiaccio e polvere, presentano una coda luminosa lunga anche più di 100 milioni di km. Le meteore infine, sono corpi celesti di piccole dimensioni, che bruciano nel passaggio nella nostra atmosfera, disintegrandosi completamente (appaiono ai nostri occhi come stelle cadenti). Frammenti delle meteore più grosse possono precipitare al suolo, costituendo le cosiddette meteoriti, corpi rocciosi che forniscono informazioni sulla struttura interna dei corpi celesti e quindi anche del nostro pianeta. Comete e meteore sono stelle? Le leggi che regolano il moto dei pianeti Fino a meno di 500 anni fa, gli scienziati ritenevano che la Terra fosse immobile, al centro dell Universo e tutti gli astri, Sole compreso, ruotassero intorno a essa. Questa teoria (detta teoria geocentrica) elaborata da Tolomeo nel II secolo d.c., venne messa in discussione da Copernico, che propose la teoria eliocentrica, secondo la quale è il Sole al centro dell Universo, mentre la Terra (con gli altri pianeti del Sistema solare) ruota intorno a esso. Universo geocentrico: il sistema tolemaico. La rivoluzione copernicana: sistema solare eliocentrico. 16

Unità 1 Lo spazio che ci circonda Secondo Copernico la Terra (e quindi l uomo) non è più al centro dell Universo, ma è solo uno dei tanti pianeti che ruota intorno al Sole. L invenzione del telescopio, utilizzato da Galileo Galilei, tuttavia, fornì le prove della validità della teoria eliocentrica, che venne perfezionata da due grandi scienziati: Keplero e Newton. Quale teoria vedeva "la terra al centro dell'universo"? Le leggi di Keplero Giovanni Keplero, per primo, riuscì a descrivere le regolem che determinano il moto dei pianeti intorno al Sole, enunciando tre importanti leggi, che da lui prendono il nome: Prima legge di Keplero: I pianeti ruotano intorno al Sole seguendo orbite ellittiche, di cui il Sole occupa uno dei due fuochi. Se l orbita è ellittica (e non circolare, come, invece, credeva Copernico) la distanza di un pianeta dal Sole varia; il punto in cui il pianeta è più vicino al Sole è detto perielio, mentre quello più lontano è detto afelio. pianeta afelio Sole La prima legge di Keplero. Il Sole è situato su uno dei fuochi dell orbita ellittica del pianeta. perielio Seconda legge di Keplero: Il raggio che unisce il Sole a un pianeta (raggio vettore) copre aree uguali in tempi uguali. Per questa legge, i pianeti non hanno sempre la stessa velocità: sono più veloci quando sono più vicini al Sole (perielio) e più lenti quando sono più lontani (afelio). 17

SCIENZE INTEGRATE Le Scienze della Terra raggio più lungo Infatti, quando la Terra è più vicina, il raggio è più piccolo e per coprire la stessa area in tempi uguali deve percorrere un arco dell ellisse più lungo: quindi viaggia a una velocità maggiore. pianeta raggio vettore raggio più corto Sole arco più lungo arco più corto Terza legge di Keplero: Il quadrato dei tempi (espressi in anni) necessari ai pianeti per percorrere l intera orbita intorno al Sole (periodo di rivoluzione) è proporzionale al cubo del semiasse maggiore dell orbita (indicata in milioni di km). Che cosa affermano le 3 leggi di Keplero? Questa legge ci dice che quanto più un pianeta è lontano dal Sole, tanto maggiore sarà il tempo che impiega a percorrere la sua orbita; la velocità media di un pianeta più lontano dal Sole sarà perciò minore (impiega più tempo) della velocità di uno più vicino. F = G mm d 2 dove F è la forza di attrazione gravitazionale m e M sono la massa dei due corpi d è la loro distanza G è la costante di gravitazione universale Newton e la legge di gravitazione universale In assenza di forze esterne, un corpo tende a muoversi di moto rettilineo uniforme: se un pianeta ruota intorno al Sole, deve esistere una forza di attrazione che lo costringe a deviare dal moto rettilineo. Newton intuì l esistenza di questa forza di attrazione e formulò la legge di gravitazione universale: Due corpi si attirano con una forza di intensità direttamente proporzionale al prodotto delle loro masse e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza. Due corpi si attraggono reciprocamente, ma prevale l attrazione di quello con una massa maggiore: così il Sole prevale sulla Terra, che gli orbita intorno, mentre la Luna, più piccola della Terra, è costretta a ruotare intorno al nostro pianeta. 18

Unità 1 Lo spazio che ci circonda I Pianeti Oltre alla Terra, altri 7 pianeti ruotano intorno al Sole (più Plutone, pianeta nano). Diamo qui alcune brevi informazioni. Per ulteriori immagini, visita il planetario virtuale su: www.pd.astro.it/planet/. MERCURIO: il più vicino al Sole È il pianeta più vicino al Sole. È poco più grande della nostra Luna. Percorre un orbita ellittica molto schiacciata, intorno al Sole, in 88 giorni, mentre ruota su se stesso in 59 giorni terrestri. La sua velocità di rotazione intorno al Sole è elevata: circa 48 km/s. è privo di atmosfera e la sua superficie è ricca di crateri. È il pianeta con la maggior escursione termica: la parte esposta al Sole, per la sua vicinanza, raggiunge i 425 C, mentre nella parte buia la temperatura scende fino a -170 C. VENERE: il nostro caldo gemello È il pianeta più vicino alla Terra. Simile alla Terra per dimensioni, densità e distanza dal Sole, questo pianeta è il nostro gemello, ma è molto più caldo della Terra. Avvolto da uno spesso strato di nubi giallastre, Venere ha un atmosfera costituita in gran parte da anidride carbonica che, per l effetto serra, impedisce la dispersione del calore nello spazio: la temperatura raggiunge perciò i 500 C; inoltre la pressione di questa cappa atmosferica è 90 volte quella terrestre. MARTE: il pianeta rosso Rosso è il colore del suolo, molto vario per aspetti, per la presenza di deserti rocciosi e sabbiosi, catene montuose, canyon, altipiani. Sono presenti numerosi vulcani, tra cui il Mons Olympus (nella foto), il più grande vulcano del Sistema solare, alto 27 mila metri e largo, alla base, più di 500 km. Non è presente acqua allo stato liquido, ma si pensa sia presente allo stato solido (ghiaccio) nel sottosuolo e nelle calotte polari, sotto uno strato di anidride carbonica solida (ghiaccio secco). GIOVE: una stella mancata Giove è il più grande pianeta del Sistema solare, circondato da un involucro di gas dello spessore di 1000 km. Internamente è allo stato liquido (idrogeno liquido), con un piccolo nucleo solido di rocce e metalli pesanti. È costituito soprattutto da idrogeno ed elio, come le stelle: infatti, se la sua massa fosse stata solo 10 volte maggiore, nel nucleo si sarebbero innescate le reazioni termonucleari che avrebbero trasformato Giove in una stella. Delle sue numerose lune, quattro furono scoperte da Galileo nel 1610: Io, Europa, Ganimede e Callisto. 19

SCIENZE INTEGRATE Le Scienze della Terra I Pianeti DA URANO A PLUTONE: I PIANETI DI GHIACCIO Questi pianeti, per la loro distanza (miliardi di km) erano sconosciuti agli antichi. Sono talmente lontani dal Sole da avere temperature così basse (-200 C!) da poter meritare il nome di pianeti di ghiaccio. SATURNO: il signore degli anelli Caratteristici di Saturno sono gli anelli: i 4 visibili col telescopio sono in realtà 7, formati da migliaia di anelli distinti, costituiti da una miriade di frammenti di ghiaccio e polvere, forse derivati dalla disintegrazione di un satellite. Saturno ha 18 lune, quasi tutte piccole, tranne Titano grande il doppio della Luna: è l unico satellite del Sistema solare che possiede una sua atmosfera. URANO È stato scoperto dall inglese Herschel nel 1781. Compie un orbita intorno al Sole in 84 anni. Come Venere, ruota su se stesso in senso orario (in 17 ore circa) e l asse di rotazione è così inclinato che i due poli guardano verso il Sole per 40 anni e per altrettanti sono nella parte buia. Al telescopio appare come un piccolo cerchietto verde-azzurro; le immagini inviate nel 1986 dalla navicella spaziale Voyager 2 hanno rivelato un sistema di 10 sottili anelli e 15 satelliti. NETTUNO È stato scoperto nel 1846 dal tedesco Galle; la sua presenza era già stata ipotizzata per le irregolarità osservate nell orbita di Urano. È ancora poco conosciuto; ruota intorno al Sole in 165 anni e intorno al proprio asse in 16 ore circa. La temperatura è bassissima: -220 C. Ha 8 satelliti. Le immagini inviateci dalla navicella spaziale Voyager 2 nel 1989 mostrano un pianeta dal colore azzurro, dovuto probabilmente alla presenza nell atmosfera di grandi quantità di metano. PLUTONE È il pianeta più lontano dal Sole; è freddo (-260 C!!!), è più piccolo della Luna e non ha un atmosfera. L orbita intorno al Sole si completa in 248 anni e non è sullo stesso piano dell orbita degli altri pianeti. Scoperto nel 1930 da Clyde Tombaugh, è ancora molto poco conosciuto. È probabilmente una sfera di gas e polvere congelati. Possiede un satellite, Caronte. Oggi è stato "declassato" a pianeta nano, per cui i "veri" pianeti che compongono il sistema solare sono solo 8. 20

Unità 1 Lo spazio che ci circonda TEST DI AUTOVERIFICA 1 1 Qual è la differenza tra stelle e pianeti? 2 Come vengono classificate le stelle in base alla loro temperatura superficiale e alle loro dimensioni? 3 Dai una definizione di stella gigante rossa, stella nana bianca, e stella pulsar. 4 Cosa si intende per atomo primordiale? 5 La fine dell Universo viene ipotizzata sulla base di 2 teorie. Quali sono? 6 Spiega quali caratteristiche hanno gli strati che costituiscono il Sole. 7 Elenca i pianeti terrestri, gassosi e di ghiaccio. 8 Spiega brevemente le leggi di Keplero. 9 Qual è la formula della legge gravitazionale universale di Newton e qual è la sua importanza? 21