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 Bolognahttp://www.bo.astro.it/bedogni

email: roberto.bedogni@oabo.inaf.it

Alcuni elementi di astronomia

Distanze nel Sistema solare

La distanza unitaria tramite la quale si misurano ledistanza dei pianeti nel Sistema solare è

l’unità astronomica (U.A.)cioè la distanza media Terra - Sole = 149.597.870 km

Distanze l’ anno luce (a.l.)

Un’altra tipica unità di misura, masoprattutto per le distanze stellari èl’ anno luce :lo spazio percorso dalla luce in un annopari a circa

~9.560.800.000.000 chilometriUtilizzando questa unità di misura ladistanza Terra-Sole risulta solo 8,32minuti luce

Terra

Distanze l’ anno luce (a.l.)

~5.906.000.000 km 5, 3 ore

Nel caso di Plutone uno dei corpi celestipiù lontani del Sistema solare la distanzapari a 39,5 U.A. diventa rilevante inquanto misurabile già in ore luce

Plutone

Il Sistema solare

Mercurio Venere Terra Marte

Giove Saturno Urano Nettuno

Pianeti rocciosi

di tipo terrestre

Pianeti giganti gassosi

Sole

Asteroidi

SoleCerere

TNOs

(es Eris, Sedna)

La fascia degli asteroidiRocce con dimensioni da pochi metri a alcune centinaia di km

Plutone e la fascia di Kuiper

Comete

Cometa Hyakutake Cometa Hale-Bopp

Cometa West Cometa Temple I

Tutto il Sistema solare dai pianeti

alle comete (nube di Oort)

Fascia di Kuiper 100 U.A.

10000 U.A. ~ 0,5 anni luce

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.

Sistema solare esterno in scala

Sistema solare interno

Migrazioni planetarie

Sommario dei dati del Sistema solare

---- D (UA) R/Rt M/Mt Prot/Pt I eρ

(g/cm3) Lune

Sole 0 109 332 800 25-36 --- --- 1,410 9

Mercurio 0,39 0,38 0,05 58,8 7 0,2056 5,43 0

Venere 0,72 0,95 0,89 244 3,394 0,0068 5,25 0

Terra 1 1 1 1 0,000 0,0167 5,52 1

Marte 1,5 0,53 0,11 1,029 1,850 0,0934 3,95 2

Giove 5,2 11 318 0,411 1,308 0,0483 1,33 63

Saturno 9,5 9 95 0,428 2,488 0,0560 0,69 50

Urano 19,2 4 15 0,748 0,774 0,0461 1,29 27

Nettuno 30,1 4 17 0,802 1,774 0,0097 1,64 13

Plutone 39,5 0,18 0,002 0,267 17,15 0,2482 2,03 3

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

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.

La formazione del Sistema solarefatti 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 proprioasse

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

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

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

La rotazione dei pianeti attorno al proprio asseIl caso di Urano

Urano a differenza di tutti gli altri pianeti non “ ruota” attorno al Sole ma “rotola” !

La composizione dei pianeti interni

I pianeti interni più vicini al Sole (quelli "Terrestri") presentano unastruttura "rocciosa“. Mercurio, Venere, Terra e Marte sono costituitiinfatti 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 prodottidai vulcani formarono le atmosfere di Venere e di Marte.

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 diidrogeno ed elio con miscugli di metano, ammoniaca, ed acqua. Il gas diidrogeno nell'interno di Giove e Saturno condensò in idrogeno liquido allemaggiori profondità.Tutti e quattro hanno, probabilmente, un nucleo costituito da metalli, silicatied acqua.Tre dei pianeti esterni irradiano più calore di quanto ne ricevano dal Sole.Curiosamente solo Urano non presenta questo eccesso di calore

Rotazione dei pianeti

Rotazione dei pianeti-Giove

Struttura interna dei pianeti

La nascita del Sole e del Sistema solare

ovvero

l’inizio della fine …

Cronologia

La sequenza di formazione del Sistema solare

Una doppia astronave chiamata Terra-Luna

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”.

Distanza media Terra-Luna = 384000 km = 30,1 volte il diametro della Terra

Il diametro della Terraè 3,67 volte ildiametro della Luna

Diametro della Terra = 12756 km

Diametro della Luna = 3476 km

Terra Luna

La Luna e la Terra un pianeta doppio

Il modello dell’Impatto Gigante

L’Impatto Gigante

Se il corpo che ha colpito la prototerra era delle dimensioni e della composizione di Ganimede

Che cosa ha lasciato in eredità al nostro pianeta ?

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

Estinzione dei dinosauri

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

CHIXULUB IMPACT

Distanza dal punto di impatto Impact: 1000.00 meters Diametro Asteroide: 12.00 km Densità asteroide: 3000 kg/m3

Velocità impatto: 30.00 km/secAngolo impatto: 90 gradi Densità del bersaglio: 1000 kg/m3 (acqua)

ENERGIAEnergia prima di entrare in atmosfera: 1.22 x 1024 Joules = 2.92 x 108 MegaTons TNT

probabilità dell’impatto 1 ogni 3.6 x 108years

EFFETTI DELL’IMPATTO

Non cambia l’inclinazione dell’asse terrestre < 0.05 gradiNon cambia l’orbita terrestre

CRATERE DI IMPATTOdiametro=170 kmil cratere si è formato nel fondale marino con una profondità temporanea di 35 kmsi avrà un diametro finale di 186 km ed una profondità finale di 1.43 km

VAPORIZZATI 10100 km 3 di materiale attorno all’impatto

Un esempio di impatto

I pianeti interni

la fine di Marte e Venere

Planisfero di Marte

Ophir Chasma

Chandor Chasma

Melas Chasma

VALLE MARINERIS

Ascraeus Mons

THARSIS MONTES

Pavonis Mons

SINAI PLANUM

SOLIS PLANUM

LUNAE PLANUM

Habes Chasma

La Valle Marineris

Lunghezza 4000 km; larghezza 700 km; profondità 10 km

Olympus Mons

Altezza 26000 m, diametro 600 kmIl vulcano spento più alto di Marte

sonda Mars Express

Cratere di ghiaccio secco nella Vastitas Borealis

Il suolo di Marte visto dal robot Spirit

Cratere Endurance. Mosaico di immagini dall'interno del cratereEndurance riprese da Opportunity. Il veicolo è stato aggiuntoall'immagine con la tecnica virtuale utilizzata nella cinematografia e le suedimensioni sono reali. La prominenza del cratere in avanti è un effettoottico dovuto alla proiezione con cui è stato ricostruito questo mosaico di46 immagini differenti.

Acqua su Marte ? Il grande canale di Ares Vallis

Larghezza: 25 kmProfondità: 1 KmMateriale trasportato ~ 200.000 km3

Flusso stimato > 100.000.000 m3/ssonda Mars Odissey

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

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

Acqua su Marte ? Forse nel sottosuolo

Venere Distanza dal Sole (U.A.) = 0,72

Distanza dal Sole (km) = 108 200 000

Periodo di rivoluzione (anni) = 0,615

Eccentricità = 0,0068

Inclinazione rispetto all'eclittica = 3° 23'

Velocità orbitale media (km/sec) = 35,02

Massa (Terra = 1) = 0,815

Raggio equatoriale (km) = 6 051

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’antichitàVenere visto dal Telescopio Spaziale HST

L’atmosfera di Venere

Pressione superficiale 92 bars

Densità superficiale ~ 65 kg/m3

Altezza di scala 15,9 km

Massa totale dell’atmosfera ~ 4,8 x 10 20 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 CO2 96,5 %, N2 3,5 %

in ppm SO2 150, Ar 70, H2O 20

CO 17, He 12, Ne 7

L’atmosfera di Venere

L’effetto serra sulla Terra e su VenereE’ la presenza di acqua H2Oed anidride solforosa SO2

presenti nelle nubi di Venereche fornisce il contributofondamentale all’effettoserra, a differenza dellaTerra in cui l’elemento piùimportante è l’anidridecarbonica CO2

Troppe sono le “finestre”lasciate aperte dalla CO2

nella banda termica dellaatmosfera di Venere perpoter dar luogo ad uneffetto serra consistente !

Venere effetto “sputtering”

senza campo magnetico evapora il vapor d’acqua

La vita sulla Terra

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:

D UA = (L stella / L sole) ½

dove

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

La zona di abitabilità planetaria

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 strumentoche potrebbe consentire di creare composti chimici complessi comequelli che si trovano in natura

Evoluzione e temperatura

Evoluzione e temperatura

La vita sulla Terra

La vita sulla Terra

La Terra, evoluzione umana

L’Olocene, Younger Dryas ed Emiano

L'Olocene è l'epoca interglaciale più recente, quella in cui ci troviamo oggi ed ha avuto inizio circa 10.000 anni fa.

L’ultimo periodo freddo prima dell’Olocene è lo Younger Dryas tra 13000 ed 10000 anni fa.

L’Emiano è la precedente epoca interglaciale che i dati paleoclimatici situano circa 132000 anni fa !

Una ricostruzione dell’Europa nell’ultimo periodo freddo (Younger Dryas) prima dell’Olocene 13000 anni fa

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

L’ evoluzione della atmosfera terrestre

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 vitaLe 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 [O3]) 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.

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

Proprietà fisiche dell’atmosfera terrestre

Alpi e pianura padana

Riscaldamento (senza atmosfera) dipende

dalla distanza dal Sole

dall’albedo, A = energia riflessa/energia incidente

AlbedoA = 0 nessuna riflessione, tutta l’energia viene assorbita;A=0,1-0,25 rocceA=0,7 nubiA=0,8 ghiaccio A = 1 tutta l’energia viene riflessa

ATerra = 0,38

Bilancio energetico

Energia emessa ed

energia ricevuta devono

eguagliarsi

Il riscaldamento della Terra

Fotoni X UV Visibili

Riscaldamento da fotoni

X

ed UV, ionizzazione, fuga

di gas. Il gas è costituito

da ioni ed elettroni

Forte riscaldamento per

alto assorbimento di UV

Riscaldamento per effetto serra,

correnti convettive

Esosfera

[Ionosfera]

Aurore

L’assorbimento dell’ atmosfera terrestre

La fine della Terra

ed altri eventi

Pronostici per l’apocalisse

Riscaldamento globale incontrollato : 1/2 % nei prossimi 200 anni

Supervulcano : 1/100 % nei prossimi 1000 anni

Impatto di asteroide gigante: 1/1000000 % nei prossimi 100 anni

Gamma Burst (galattico =: 1/15 % nei prossimi 100 My

Pronostici per l’apocalisse: l’evento di 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 SpörerL'evento produsse i suoi effetti su tutta la Terra dal 28 agosto al 2 settembre.

Macchie solari disegnate da Carrington

La tettonica e la fine dell’attività geologica

La tettonica e la fine dell’attività geologica

La tettonica e la fine dell’attività geologica

2009.09.03

2012.07.20

2012.07.20

Il moto nella Galassia influenza la vita sulla Terra ?

Il moto nella Galassia influenza la vita sulla Terra ?

Un pianeta, peressere abitabile,deve trovarsisufficientementevicino al centrogalattico, dove siconcentrano altilivelli di elementipesanti, grazie aiquali possonooriginarsi pianetirocciosi.

Ecosfera Galattica ed abitabilità planetaria

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

Pericoli da evitare - magnetar

Il 27 dicembre 2004 èarrivato un lampo di raggigamma dalla MagnetarSGR 1806-20. Il “lampo”ha avuto effettosull’atmosfera terrestregiungendo da unadistanza di oltre 50000 a.l.

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.

GRB lampi di raggi gamma

I GRB rilasciano un’energia di circa1044 J (circa 2,4 x 10 28

Megatoni) o corrispondente ad 1/2000 di massa solare equivalente

Estinzione nell’Ordoviciano ???

L’evoluzione della stella “Sole”

Distanza (km) 149 597 970 km 2

Massa (kg) 1,989×1030

Massa 332 830 M T

Raggio equatoriale (km) 695 000

Raggio equatoriale 109 R T

Periodo di rotazione (giorni) 25-36

Densità media (kg/m3) 1410

Densità al centro (kg/m3) 151300

Pressione al centro (bars) 2,334 · 10 11

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) 3,86×1026

Magnitudine visuale -26,8

Magnitudine assoluta bol. 4,74

Età (miliardi di anni) 4,55

Sole

Il Sole nella riga H

La struttura interna del Sole

Età=4,55 Ga

M

=1,99 ·10 30 kgR

=700 000 kmL

=3,8 ·10 26 WattT

=5789 °K

Il Sole oggiIl 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

Mercurio

Venere

Terra

Marte

Il Sole oggi

Età=10,9 Ga ∆Età=6,35 GaR= 1,58 R

L= 2,2 L

Il Sole esaurisce l’idrogeno nel nucleo

Mercurio

Venere

Terra

Marte

Il Sole termina la fase di sequenza principale

Età=11,6 Ga

∆Età=0,7 GaR= da 1,58 a 2,3 R

L= 2,2 L

(costante)T= da 5517 a 4900 °K

Il Sole diviene una subgigante

La fase di post-sequenza – Sole subgigante

Mercurio

Venere

Terra

Marte

Età=12,233 Ga

∆Età=0,63 GaR= da 2,3 a 166 R

L= da 2,2 a 2350 L

T= da 4900 a 3107 °K

Il Sole diviene una gigante rossa

Mercurio

Terra

Marte

Venere

La fase di post-sequenza – Sole gigante rossa

InizioEtà=12,234 Ga ∆Età=0,001 GaR= da 2,3 a 9,5 R

L= da 2350 a 41 L

T= da 4900 a 4724 °K

Il Sole brucia

l’elio nel nucleo

(flash He)

Venere

Terra

Marte

La fase di post-sequenza – Sole brucia l’Elio

Fine Età=12,344 Ga ∆Età=0,11 GaR= da 9,5 a 18 R

L= da 41 a 110 L

T= da 4724 a 4450 °K

Età=12,344 Ga ∆Età=0,11 GaR= da 9,5 a 18 R

L= da 41 a 110 L

T= da 4724 a 4450 °K

Il Sole esaurisce

la combustione

dell’elio nel nucleo

La fase di post-sequenza – Il Sole esaurisce l’Elio

Terra

Venere

Marte

Età=12,365 Ga

∆Età=0,021 GaIl Sole diviene

per la seconda volta

una gigante rossa

La fase di post-sequenza – Sole gigante rossa

Venere

Terra

Marte

Venere

Terra

Marte

Età=12,366 Ga

∆Età=0,001 GaIl Sole pulsa

e diviene instabile

La fase di post-sequenza – Sole pulsante

Età>12,4 Ga

∆Età=0,034 GaIl Sole diviene

una Nana Bianca

La fase di post-sequenza – Sole Nana Bianca

Venere

Terra

Marte

Variazione del Raggio del Sole

nana gialla

subgigante

gigante rossa

temperatura

lum

inosi

tà

nana bianca

nebulosa planetaria

Il percorso evolutivo del Sole

L’evoluzione della Terra e le estinzioni di massa

ovvero

ad ogni fine si succede un nuovo inizio

La presentazione è terminata