La Terra: caratteristiche di un pianeta abitabile G. Cutispoto INAF Osservatorio Astrofisico di Catania gcutispoto@oact.inaf.it XXI Scuola Estiva di Astronomia Stilo - 29 Luglio 2016
Il Sistema Solare Sole Pianeti - Mercurio, Venere, Terra, Marte, Giove, Saturno, Urano, Nettuno Corpi Minori - Pianeti Nani, Satelliti dei pianeti, Asteroidi, Comete Distribuzione della massa: Sole: 99.85 % Pianeti: 0.13 % CM: 0.02% Distanza dal Sole: Mercurio: 0.39 UA Terra: 1 UA Giove: 5.20 UA Periodi orbitali: Mercurio = 88 giorni Terra = 1 anno Giove = 11.86 anni
Terra Venere Le orbite dei pianeti Mercurio Sole Nettuno Urano Marte Saturno Giove 149.597.870 km = 1 UA 1 UA = 215 R Sole = 23.450 R terra D Mercurio = 0.39 UA D Giove = 5.2 UA
Origine del Sole e del Sistema Solare Il Sole nasce dalla contrazione di una Nebulosa (probabilmente causata dall esplosione di una Supernova ) Formazione del Sole inizio: 4.6 miliardi di anni fa durata: circa 100.000 anni Intorno al Sole si formò un disco di materia Dal disco (in circa 100 milioni di anni) si formarono i pianeti e i corpi minori
I pianeti si sono formati per accrescimento dal disco Le prime fasi di vita del Sistema Solare sono state caratterizzate da un gran numero di urti Gran parte dei corpi più piccoli andavano a cadere su quelli più grandi Per i suoi primi 700 milioni di anni la Terra è stata soggetta a un intensissimo bombardamento da parte di piccoli corpi che andavano ad accrescere le sue dimensioni
La Terra Raggio = 6378 km; Massa = 5.97 10 24 kg ; Densità = 5.52 g/cm 3 Terre emerse: 29 %
Atmosfera: Azoto = 77% Ossigeno = 21% CO 2 = 0.04% O 3 = 0.000004%
Struttura interna e composizione Litosfera: 0 70 km Mantello esterno: 70 400 km Regione di transizione: 400 650 km Mantello interno: 650 2700 km Regione D: 2700 2890 km Nucleo esterno: 2890 5150 km Nucleo interno: 5150 6378 km Composizione chimica Fe: 34.6 % Mg: 12.7 % O: 29.5 % Ni: 2.4 % Si: 15.2 % S: 1.9 % Distribuzione della massa Litosfera: 0.4 % solida Mantello: 67.5 % semi-fluido Nucleo esterno: 30.5 % semi-fluido Nucleo interno: 1.6 % solido
La vita sulla Terra: tempi di evoluzione - 4.5 miliardi: si forma la Terra - 4 miliardi: prime rocce solide - 3.8 miliardi: diminuisce il bombardamento dei meteoriti - 3.5 miliardi: primi batteri età del Sole ~ 1.1 miliardi di anni - 543 milioni (Cambriano): compaiono migliaia di nuove specie, sono gli antenati degli animali e delle piante che oggi popolano la Terra - 3.5 milioni: età di Lucy (australopithecus afarensis) - 150.000: compare in Africa l Homo Sapiens (tempi in anni dall epoca attuale)
La vita sulla Terra: gli ingredienti astronomici Posizione del Sole nella Galassia Massa e stabilità del Sole Distanza Terra-Sole: fascia di abitabilità Attività geologica e vulcanica Presenza di un campo magnetico Presenza di un grande satellite
Formazione degli elementi chimici La vita ha bisogno di elementi pesanti, ma il Big Bang ha prodotto solo idrogeno ed elio Gli altri elementi chimici si formano all interno delle stelle Le Supernovae : alla fine della loro evoluzione le stelle di grande massa (M > 8 M Sole ) esplodono e immettono nello spazio gli elementi pesanti sintetizzati precedentemente e nel corso dell esplosione Inoltre l onda d urto che viene generata può favorire l innesco del collasso delle nubi interstellari dando vita a nuove stelle Ma le Supernovae emettono anche fasci di particelle di alta energia, raggi X e raggi g, capaci di distruggere ogni forma di vita nel raggio di migliaia di anni luce
La posizione del Sole nella Galassia Localizzazione degli elementi pesanti Le regioni centrali di una galassia a spirale sono molto ricche di stelle, quindi di elementi pesanti, ma sono anche pericolose (Supernovae, interazioni tra stelle) Le regioni esterne sono troppo povere di elementi pesanti Le regioni intermedie sembrano offrire le migliori condizioni Il Sole dista circa 30.000 anni luce dal centro della Via Lattea ; è la regione più adatta per l esistenza di pianeti abitabili?
Massa e stabilità del Sole Massa del Sole: 1.99 10 30 kg 0.08 M Sole < Massa delle stelle < 100 M Sole Composizione Chimica del Sole: Idrogeno: 73% Elio: 25% Elementi pesanti: 2% (r = 1.41 g/cm 3 ) Nel nucleo del Sole hanno luogo reazioni di fusione nucleare : l Idrogeno si trasforma in Elio nucleo Ogni secondo nel nucleo del Sole hanno luogo 92 10 36 reazioni p-p, che producono un energia pari a circa 3.85 10 26 J (equivalente all energia elettrica che sarebbe possibile produrre sulla Terra in circa 4.7 milioni di anni) Ogni secondo il Sole converte nel nucleo 564.5 10 9 kg di Idrogeno (pari a 2.83 10-19 della sua massa) in 560 10 9 kg di Elio
Per l evoluzione della vita su un pianeta sembra essenziale che il flusso di radiazione incidente ( temperatura) sia costante o lentamente variabile, ovvero che la stella attorno a cui orbita sia stabile L La fase di sequenza principale è la più lunga della vita di una stella Il tempo di permanenza di una stella sulla MS dipende dalla sua massa Nel caso del Sole il tempo in MS vale circa 10 10 9 anni T Vale la relazione: T MS 10 10 9 /M 2.5 anni (con M in masse solari) Le stelle con M > 2.5 M Sole si evolvono troppo rapidamente Infatti se M = 2.5 M Sole si avrà: T MS 10 9 anni
E la regione entro la quale un pianeta ha una temperatura tale da poter mantenere l acqua allo stato liquido sulla sua superficie Fascia di abitabilità Venere La composizione dell atmosfera gioca un ruolo fondamentale (effetto serra: da -21 C a +15 C) Sole Mercurio Terra Marte
Tra circa 5 10 9 anni il Sole si evolverà in Gigante Rossa La temperatura sulla Terra diventerà troppo elevata La fascia di abitabilità si sposterà verso le regioni più esterne del Sistema Solare, ma sarà meno stabile (l evoluzione di una gigante è molto rapida) Per stelle con M>2.5 M Sole la fascia di abitabilità si sposta dopo circa 10 9 anni Venere Il Sole tra Sole 5 miliardi di anni Mercurio Terra Marte
Tettonica a Zolle La litosfera è divisa in zolle che si muovono (deriva dei continenti) sopra il mantello La crosta terrestre si rinnova in circa 500 10 6 anni tramite spreading (due zolle si allontanano) e subduction (due zolle entrano in collisione); senza questi processi l erosione spianerebbe le terre emerse in circa 20 milioni di anni Lungo le fratture nascono i vulcani, che riforniscono l atmosfera di molecole quali la CO 2 che risulta fondamentale per il mantenimento dell effetto serra
Ruolo del campo magnetico Il campo magnetico della Terra ha un valore in superfice compreso tra 0.25 e 0.65 G, l asse magnetico è inclinato di circa 10 gradi rispetto all asse di rotazione della Terra Un buon magnete da frigo ha un campo di 100 G A dispetto del nome, la magnetosfera della Terra è fortemente asimmetrica a causa del vento solare; la parte rivolta verso il Sole ha dimensioni fino a circa 10 R Terra, mentre la parte opposta è allungata in una coda che si estende fino a oltre 200 R Terra
Il campo magnetico della Terra è in grado di deviare gran parte del vento solare, proteggendo così la nostra atmosfera Senza il campo magnetico le particelle cariche del vento solare distruggerebbero lo stato di Ozono e, più in generale, causerebbero, come si pensa sia avvenuto su Marte, la perdita quasi completa dell atmosfera
La Terra e la Luna Raggio Terra = 6378 km Raggio Luna = 1738 km R Terra = 3.67 R Luna Terra M Terra = 81 M Luna Distanza media Terra-Luna = 384.4 10 3 km = 60.3 R Terra Terra/ Luna Marte/ Phobos Giove/ Ganimede Saturno/ Titano Urano/ Titania Nettuno/ Tritone 81 62.5 10 6 12820 4170 24390 4760 Luna
Origine della Luna Densità della Luna = 3.34 g/cm 3 Densità della Terra = 5.52 g/cm 3 Inclinazione dell orbita lunare > 5 gradi La Luna si è formata a seguito dell impatto della Terra con Theia, un corpo formatosi in uno dei punti lagrangiani dell orbita terrestre Quando Theia raggiunse una massa simile a quelle di Marte la sua posizione divenne instabile, le crescenti oscillazioni finirono per fargli colpire la Terra Gran parte dei detriti generati dall urto furono espulsi nello spazio; da essi si formò, in circa 100 anni, la Luna
Importanza della Luna La presenza della Luna ha contribuito a stabilizzare l asse di rotazione della Terra, uno degli ingredienti più importanti per evitare rapidi cambiamenti climatici e quindi favorire lo sviluppo della vita Mercurio: i = 0 Venere: i = 177 Terra: i = 23.5 Marte: i = 25 La Luna è il corpo che influisce maggiormente sul fenomeno delle maree, che in alcune zone del globo superano dislivelli di 10 metri In assenza di maree si ridurrebbero, o non si sarebbero mai formate, alcune importanti correnti oceaniche, che regolano la formazione delle nubi e quindi la circolazione atmosferica su scala globale L impatto sul clima e sull evoluzione della vita non sono facilmente prevedibili, ma sarebbero con molta probabilità significative
Presenza di un pianeta gigante M Giove = 1.899 10 27 kg = 317.8 M Terra = 9.5 10-4 (= 1/1050) M Sole M Giove = 1.1 10-2 (= 1/84) M smallest_star = 7.9 10-2 (= 1/13) M smallest_bd D Sole-Giove = 778.5 10 6 km = 5.2 UA (e = 0.049) R Giove = 10.86 R Terra = 1/10 R Sole
Gli Asteroidi (o Pianetini ) Orbitano principalmente tra Marte e Giove (fascia degli Asteroidi, 2.1-3.3 UA) Il più grande è Cerere (diametro = 933 km) scoperto nel 1801 La loro massa totale è di circa 1/1000 la massa della Terra Orbita di Giove Orbita di Marte Orbita della Terra Fascia degli Asteroidi Quelli classificati sono oltre 750.000; solo 26 hanno un diametro maggiore di 200 km, ma si stima che ne esistano oltre un milione con diametro maggiore di 1 km
NEA e PHA I NEA hanno orbite con distanza minima dal Sole (perielio) minore di 1.3 UA, quindi possono avvicinarsi notevolmente alla Terra Terra NEA PHA Quelli che si avvicinano a meno di 0.05 UA dalla Terra sono detti PHA
Marzo 2000 La sonda NEAR orbita intorno a EROS Mathilde Gaspra Ida 59x47 km 19x12x11 km 58x23 km Eros 33x13x13 km
Le fasce di Asteroidi Fascia degli Asteroidi Plutone Nettuno Cerere Urano Saturno Giove Sole Terra Marte La Fascia di Kuiper (30-50 UA) potrebbe contenere 100.000 corpi con diametro maggiore di 100 km e avere una massa totale dell ordine di 1/10 M Terra Giove Fascia di Kuiper
Le Comete Hyakutake (1996) West (1976) Conosciute ~ 5300 Periodiche ~ 480 (P < 200 anni) Origine: Fascia di Kuiper (breve periodo) Nube di Oort (lungo periodo) Swift-Tuttle (1992) N Comete ~ 10 12 ; M Comete ~ M Giove
67 P / Churyumov-Gerasimenko 3 km Afelio: 5,68 UA Perielio: 1,24 UA Periodo: 6,45 anni Rotazione: 12,7 h Dimensioni: 3,5 x 4 km 3 Agosto 2014 Foto ottenuta da 285 km di distanza dalla sonda Rosetta
Crateri da impatto Luna (faccia nascosta ) Mimas Mercurio Ganimede
Il ruolo di Giove Giove protegge la parte interna del Sistema Solare 16 20 Luglio 1994 20 impatti (D max = 2 km) v = 60 km/s Giove e la cometa Shoemaker-Levy
La Terra, gli Asteroidi e le Comete La Terra è soggetta a un continuo bombardamento da parte di piccoli corpi del Sistema Solare (40.000 ton/anno) x 100 x 1/3 Una frazione del tutto trascurabile (6.7 10-18 ) della massa della Terra
La Terra, gli Asteroidi e le Comete La Terra è soggetta a un continuo bombardamento da parte di piccoli corpi del Sistema Solare (40.000 ton/anno) Dimensioni Frequenza Effetti 1 cm 10 / h meteore 2 cm 1 / h si disintegrano nell atmosfera 4 m 10 / anno meteoriti 10 m 1 / anno possono raggiungere la superficie 9 Ottobre 1992 massa iniziale del meteorite ~ 12 ton
Meteor Crater Diametro = 1186 m Profondità = 200 m Età = circa 49.000 anni Diametro del meteorite = 25-30 m Velocità di impatto ~ 13 km/s Wolf Creek (Australia) età ~ 300.000 anni Diametro = 850m Attualmente sono oltre 170 i crateri da impatto identificati
Tunguska - 30 Giugno 1908 Asteroide (o Cometa), con un diametro di circa 60 m, esploso a 6 km dal suolo La distruzione fu totale in un raggio di circa 30 km Il boato generato dall esplosione fu avvertito fino a Londra (20.000 km) P = 1/1.000 anni Dimensioni Frequenza Effetti 100 m 1 / 10.000 anni distruzioni su scala locale 1 km 1 / 1.000.000 anni distruzioni su scala planetaria 10 km 1 / 50.000.000 anni estinzioni di massa
Le estinzioni di massa Sono eventi improvvisi che comportano una notevole riduzione delle specie viventi Hanno luogo su tutto il pianeta Coinvolgono un gran numero di specie anche molto diverse tra loro Avvengono in un lasso di tempo breve Ne sono state identificate almeno 5; si pensa che sono state causate da grandi catastrofi naturali o da notevoli e rapidi cambiamenti climatici Tardo Ordoviciano (-438) Tardo Devoniano (-360) Fine Permiano (-245) Tardo Triassico (-208) Fine Cretaceo (-65)
L estinzione dei Dinosauri I dinosauri si sono estinti alla fine del Cretaceo e insieme con essi scomparvero circa il 65% di tutte le specie animali e vegetali presenti sulla Terra (in particolare tutte le forme di vita non acquatiche di peso superiore ai 30 kg) Questa estinzione di massa (estinzione K-T) segnò il passaggio dall era dei rettili a quella dei mammiferi Da cosa è stata causata? Teorie proposte: Effetto serra (eruzioni vulcaniche) Cambiamenti climatici (variazione dell orbita della Terra) Teoria dell impatto
Non tutti i mali vengono per nuocere La scomparsa di terribili predatori quali erano i grandi dinosauri, che avevano dominato il pianeta per 135 milioni di anni, provocò una svolta nell evoluzione della vita sulla Terra I mammiferi, comparsi sulla Terra prima dei dinosauri, ma rimasti in una nicchia evolutiva, accelerarono il loro sviluppo e diventarono in breve la specie dominante Probabilmente senza l estinzione dei dinosauri i grandi mammiferi, e tra di essi la razza umana, non sarebbero stati in grado di svilupparsi (almeno nei tempi che conosciamo)
NEAT (Near-Earth Asteroid Tracking system) Collaborazione internazionale per l identificazione e lo studio dei Near Earth Asteroids (NEA) e in particolare dei Potentially Hazardous Asteroids (PHA), corpi più grandi di 150 m che possono avvicinarsi alla Terra a meno di 7.480.000 km (= 0.05 UA) Fino ad oggi sono stati scoperti 14495 NEA, di questi 873 hanno un diametro maggiore di 1 km I PHA attualmente conosciuti sono 1710, di questi 158 hanno un diametro maggiore di 1 km Il più pericoloso è Apophis (D ~ 390 m), che potrebbe colpire la Terra nel 2036 (molto più probabilmente sarà deviato nel prossimo passaggio in prossimità della Terra, 36350 km, del 13 Aprile 2029) http://neo.jpl.nasa.gov/neo/ E molto difficile identificare NEA con diametro minore di 50 m Si pensa ne esistano almeno 50.000
Il meteorite di Chelyabinsk Alla categoria degli imprevedibili apparteneva il corpo esploso in atmosfera nei pressi della città russa di Chelyabinsk la mattina del 15 Febbraio 2013 Il più importante evento registrato dopo quello di Tunguska del 1908 L asteroide aveva un diametro di 17 m e un peso di 10000 tonnellate; la sua velocità di ingresso in atmosfera è stata stimata in 25000 km/h ed è esploso a 25 km di altezza L energia rilasciata: 470 kt (~ 30 Hiroshima ~ 1/11 Tunguska) E abbastanza singolare che questo l evento si sia verificato lo stesso giorno in cui l asteroide 2012 DA14, un corpo con diametro di 55 m, è passato a 28.600 km di altezza dalla superfice terrestre
2012 DA 14 2012 DA14 è stato scoperto il 23 febbraio 2012 Ha un diametro di 55 metri e una massa di circa 1.3 10 8 kg Il suo periodo orbitale è di 314 g Il 15 Febbraio 2013 è passato a soli 28.600 km dalla superfice terrestre (ben al di sotto della fascia dei satelliti geostazionari) Asteroide Data Distanza (LD) Diametro 2002 KL 6 22 Luglio 26.6 1.4 km 2011 BX 18 25 Luglio 52.7 1.1 km 2016 NX 22 2 Agosto 19.9 86 m 2005 OH 3 3 Agosto 5.8 28 m 2000 DP 107 12 Agosto 66.5 1.0 km 2004 BO 41 7 Settembre 38.9 1.1 km 1 LD = 384.400 km http://spaceweather.com/
Alla ricerca di un altra Terra Che la vita si sia sviluppata su altri pianeti è un idea che ha profonde radici nel pensiero scientifico e filosofico Le prime intuizioni sulla pluralità dei mondi, e sulla possibilità di forme di vita su altre terre, risalgono almeno alla civiltà ellenistica (Aristarco, Democrito, Epicuro) Giordano Bruno affermò (1584): Esistono innumerevoli soli e innumerevoli terre in orbita intorno ai loro soli 1995: scoperta del primo pianeta exstrasolare (51 Pegasi b) Luglio 2016: 3487 pianeti extrasolari noti (M minima < M Terra ) Quanto è unico l insieme di caratteristiche e di processi che esistono e/o si sono sviluppati sulla Terra?
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Fasce di abitabilità non convenzionali Marte Europa Encelado Venere
Alcuni interrogativi sulla vita Sappiamo veramente cos è la vita? Conosciamo o potremo mai prevedere tutte le condizioni dove può svilupparsi la vita? Se le condizioni sono del tutto favorevoli, la vita si sviluppa sempre e fino a che livello? Grazie per la vostra attenzione