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Astronomia2017-18

Parte VISistema Solare

• Sistema SolarePianeti terrestri e pianeti giganti. Superficie, atmosfera, struttura interna. Anelli. Satelliti. Corpi minori del sistema solare.

• Sistema SolarePianeti terrestri e pianeti giganti. Superficie, atmosfera, struttura interna. Anelli. Satelliti. Corpi minori del sistema solare.

PARTE VII – Il Sistema SolarePARTE VII – Il Sistema Solare

• Il sistema Terra-LunaOrigine e struttura della Terra. Tettonica a placche. Cenni di fisica dell’atmosfera terrestre. Magnetosfera. Le maree. La Luna: origine e struttura. Problemi aperti.

• Il sistema Terra-LunaOrigine e struttura della Terra. Tettonica a placche. Cenni di fisica dell’atmosfera terrestre. Magnetosfera. Le maree. La Luna: origine e struttura. Problemi aperti.

• AstrobiologiaOrigine del sistema solare. Chimica della Terra primordiale. Stabilità delle condizioni terrestri ed evoluzione biologica. Possibilità per la vita altrove nel sistema solare. Pianeti extrasolari. Prospettive.

• AstrobiologiaOrigine del sistema solare. Chimica della Terra primordiale. Stabilità delle condizioni terrestri ed evoluzione biologica. Possibilità per la vita altrove nel sistema solare. Pianeti extrasolari. Prospettive.

Il sistema solare

Il Sole contiene:

- oltre il 99 % della massa del sistema solare

- meno dell’ 1% del momento angolare

Massa Asteroidi:< 0.001 ME

RE = 6378 kmRS = 7 x 105 km = 109 RE

ME = 6.0 x 1027 g MS = 2.0 x 1033 g = 3.3 x 105 ME

Trans-Neptunian Objects

Il sistema solare

4(A.U.)

10 0, 3, 6, 12, 24, 48...

na

n

+

=

≃

«Legge» di Titius-Bode (1766)

Relazione empirica (effetto di risonanze?)Perfettamente rispettata all’epoca della scoperta! (ultimo pianeta noto era Urano)

Il sistema solare: orbite

Sem

iass

e m

aggi

ore

Peri

odo

sider

ale

a3/2

Ecc

entr

icit

à

Incl

inaz

ione

su

ll’ec

litt

ica

Rot

azio

ne

Incl

inaz

ione

as

se d

i ro

tazi

one

Giove e Saturno hanno rotazione differenziale

Venere ruota su se stesso in senso opposto agli altri (ε ∼ 180°)

Urano ha

obliquità ε∼90°

• Tutte le orbite sono percorse nello stesso senso (CCW dal Nord)

• Quasi tutti i pianeti ruotano nella stessa direzione della rivoluzione

• Tutte le orbite sono circa sullo stesso piano (Eclittica): Piccole inclinazioni

• Le orbite sono quasi circolari: piccole eccentricità

• Gli assi di rotazione sono quasi sempre vicini alla perpendicolare al piano dell’orbita

C,C’ Quadratura

C

C’

1 2

1 Congiunzione Inferiore

2 Congiunzione Superiore

Pianeta interno

3

3’

3,3’ Elongazione Massima

Il sistema solare

Sole

Pianeta interno

Terra

Pianeta esterno

Periodo siderale: Periodo rispetto alle “stelle fisse”

Periodo sinodico: Tempo impiegato per tornare nella stessa configurazione Sole-Terra-Pianeta (es.: fra una Opposizione e la successiva)

� molto più facile dal misurare

A B

A Opposizione

B Congiunzione

Pianeta esterno

Il sistema solare

021 >−= ωωωrel

Pianeta 1 più interno del pianeta 2

3/22a

P

πω −= ∝

21

111

PPPrel

−=

P/2πω =

1]yr[

1

]yr[

1 −=PPrel

Sole

P1

P2

1ω

2ω

Periodo sinodico � Periodo siderale

Assumiamo orbite circolari

Dal periodo sinodico (facile da misurare) trovo il periodo siderale

1

rel

1]yr[

1]yr[

−

+=

PP

1

]yr[

11]yr[

−

−=

relPP

P1 = Pianeta internoP2 = Terra � Prel = Periodo sinodico

]yr[

11

]yr[

1

PPrel

−=

P1 = TerraP2 = Pianeta esterno � Prel = Periodo sinodico

Luna-Terra: LibrazioniLuna: periodo di rotazione = rivoluzione � mostra sempre la stessa faccia

Eccentricità dell’orbita (0,0554) + Inclinazione sull’eclittica dell’orbita lunare (5°)� in un mese vediamo ~59% della Luna

δD ~ 12%

Forza gravitazionale relativa esercitata dal Sole e dalla Luna sulla Terra?

2

2

( )

( )SE S ME

ME M SE

F M r

F M r=

33 5 2

25 8 2

2.0 10 g (3.85 10 km)

7.3 10 g (1.5 10 km)

× ×=× ×

70≈

Orbite della Terra e della Luna intorno al Sole

La Luna orbita intorno al Sole, “perturbata” dalla presenza della Terra

Il sistema Terra-Luna

EarthMoon MM 0.01g103.7 25 ≈×≅

Maree

Es.: La forza gravitazionale del Sole e della Luna è leggermente diversa in punti diversi della Terra

2EM M

F Gr

= ⊙Forza gravitazionale 32 EM MdFG

dr r= − ⊙

32 ER

a GMr

∆ = −⊙

Differenza di accelerazione

Al decrescere di r la forza mareale aumenta più rapidamente della forza di gravità

3

3

SE

ME

M

S

ME

SE

r

r

M

M

a

a =∆∆

38

35

25

33

)km105.1(

)km1085.3(

g)103.7(

g)102(

××

××= 46.0≈

La forza di gravità è dominata dal Sole, ma l’effetto di marea è dominato dalla Luna

Esempio. Paragonare l’effetto di marea della Luna e del Sole sulla Terra

Effetto gravitazionale differenziale (“tidal effect”)

2 ERF

r= −

257.3 10 gMoonM ≅ ×

32 EM M

F G rr

∆ = − ∆⊙Differenza di forza rispetto al centro della Terra

Raggio terrestre“Forza mareale”

Per i punti 1, 2, 3 abbiamo 321 aaa <<

1 2 3

Sole: effetto simile, ridotto di fattore 2

Può essere in fase (allineato) o in contro-fase (a 90°) rispetto alla Luna

b) Anche la parte solida della Terra si deforma (effetti inferiori)

a) La presenza delle coste rende gli effetti più complessi (inferiori, e con ritardi)Questa descrizione vale in prima approssimazione:

MareeEffetti di marea sul sistema Terra-Luna

Formazione di un “tidal bulge” sulla superficie terrestre � Conseguenze

Effetto di marea: differenza di accelerazione

21 aa − 23 aa −

Nel sistema del centro terrestre:

1,3 34 E

MEM

Ra GM

r∆ = g710−≈

� “Alta marea” sia nella regione più vicina che in quella più lontana alla Luna

-Tende a “spingere” la luna su un’orbita più lontana (ETOT = const) � Aumenta il raggio dell’orbita lunare� La Luna si allontana al ritmo di ~3.8 cm/yr

- La Luna rallenta la rotazione terrestre (~15µs/yr)� Sincronizzazione, già avvenuta per la Luna (Prev,M = Prot,M)

Prot,E << Prev,M � il bulge “anticipa” la Luna

Inerzia della deformazione della crosta (e oceano) terrestre

Conservazione momento angolare

• Conferme paleontologiche dell’aumento della durata del giorno (<650 milioni di anni)• Misure dirette dell’allontanamento della Luna (laser interferometry)

Lambeck (1980, chapter 11, paleorotation)

Effetti di marea sul sistema Terra-LunaFormazione di un “tidal bulge” sulla superficie terrestre

«bulge»

- Le forze di attrito interne riscaldano i pianeta

Semimajor axis of moon’s orbit(past 1 billion yrs)

Obliquity of the Earth(past 10 million yrs)

Model breakdown

“…the model studied in this paper cannot provide a dynamical constraint on the origin of the Moon”

Present distancea/R ~61

In the young Earth tidal effects were larger

Obliquità

In assenza di luna, ε varierebbe caoticamente da 0° a ~85°, mantenendosi oltre i 50° per milioni di anni.

Simulazioni numeriche � il campo gravitazionale della Luna è essenziale per mantenere costante l’obliquità della Terra, ε

Moon ON Moon OFF

Irradianza media estiva(W/m2)

Obliquità(gradi)

± 1 milione di anni

Conseguenze sulla stabilità del clima terrestre a lungo periodo

Edvardsson et al A&A 384, 689-701 (2002)

Obliquità

Edvardsson et al A&A 384, 689-701 (2002)

Marte vs Terra

2007 New Horizons (NASA)Launch: 19 Jan 2006

Maree

� Effetti di marea molto pronunciati nella Terra giovane� Contributo importante al riscaldamento della crosta

Decaying of radioactive isotopes: 90%(Potassium 40, Uranium 238, 235, Thorium 232)

Original heat from Earth formation: 5 - 10%Differentiation: 1%Tidal heating: <1% (at surface)

Fonti “interne” di riscaldamento attuali della Terra:

� Attività vulcanica

Jupiter/Io System

� Fonte di riscaldamento: Effetti di marea di Giove

Io: unico corpo del sistema solare (oltre la Terra) ad avere attività vulcanica nel presente

1979 Voyager I and II (NASA)2000 Cassini–Huygens (ESA)2007 New Horizons (NASA)

Precessione

Le forze mareali (∆a) del Sole e della Luna sul globo terrestre (non-sferico) producono una variazione del momento angolare � precessione

Terra: poleq RR >(a causa della rotazione)

Forza del Sole sulla Terra: la forza F1 è leggermente superiore alla forza F2

Terra in 1 e in 3 � il momento ha lo stesso segno.Terra in 2 e in 4 � momento nullo

21 FFF���

−=∆ in direzione del Sole

Si ha un momento torcente:

dt

Ld�

� =τ In direzione ⊥ al piano LF

(2 cicli completi all’anno)

dtLLdLL ���

+=+='dL è molto più piccolo di L, e perpendicolare a L

� non cambia l’ampiezza ma la direzione di L� precessione dell’asse di rotazione

dL dtτ=� �

Precessione: spostamento del polo Nord celestePeriodo: 25786 yrs

Scoperta della precessione: Ipparco (ca. 150 B.C.)

Precessione Apsidale (del perielio)

La direzione del perielio l’asse maggiore dell’ellisse orbitale ruota lentamente nel

tempo

La combinazione della precessione dell’asse di rotazione e dell’asse orbitale orbita genera un ciclo di 21,000 anni fra le stagioni e l’orbita

Precessione Assiale

Moti secondari della TerraMovimenti secondari della Terra � influenza sulle variazioni climatiche a lungo termine.

B. Variazione dell’inclinazionedell’asse terrestre, tra 21.5° e 24.5°

(periodo ~ 41.000 anni)

C. Variazione dell’eccentricitàdell’orbita della Terra (~6%)

(periodo ~ 92.000 anni)

A. La precessione (assiale + apsidale)(periodo ~ 21,000 anni)

Milankovitch cycle

L’insieme di questi fattori

influenza la quantita’ e

distribuzione della radiazione solare ricevuta

dalla Terra.

Fondali oceanici; Carotaggi: Il rapporto 18O to 16O è sensibile a T

La Terra come pianeta• La Terra si è formata dal materiale della nube originaria del Sole

- Collasso � Energia cinetica � aumento della T

•Alta temperatura centrale, dovuta a:

- Decadimento radioattivo di elementi pesanti

Potassio, Torio, Uranio

In particolare: decadimento alpha (particelle più massive)

• Regione interna liquida

� “Differenziazione”

Elementi più pesanti migrano verso l’interno� Nucleo di Ferro, Nickel

Elementi più leggeri “galleggiano” sulla superficie

� Strati più esterni Alluminio, Silicio, Sodio, Potassio

• Nucleo liquido � Campo magnetico

• Rapida rotazione della Terra

• Moto convettivo nel nucleo

Cariche elettriche in movimento nel fluido

Direzione poli magnetici: mobile nel tempoInvertita ogni ~ 105 yr

La Terra come pianeta

Il materiale non è allo stato liquido, ma è “plastico” (si deforma lentamente sotto pressione)

Astenosfera:Lo strato sottostante la crosta si mantiene riscaldato dal decadimento radioattivo

Litosfera (crosta):Separata in zolle

Profilo di T interna