La Terra: caratteristiche di un pianeta abitabile

XXI Scuola Estiva di Astronomia

Stilo - 29 Luglio 2016

G. Cutispoto INAF – Osservatorio Astrofisico di Catania

gcutispoto@oact.inaf.it

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

Le orbite dei pianeti

Sole

Mercurio

Venere

Terra

Marte Giove

Nettuno

Saturno

Urano

149.597.870 km = 1 UA

1 UA = 215 ∙ RSole = 23.450 ∙ Rterra

DMercurio = 0.39 UA DGiove = 5.2 UA

Il Sole nasce dalla contrazione di una Nebulosa (probabilmente causata dall’esplosione di una “Supernova”)

Origine del Sole e del Sistema Solare

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 = 5.97·1024 kg; Densità = 5.52 g/cm3

Terre emerse: 29 %

Atmosfera: Azoto = 77% Ossigeno = 21% CO2 = 0.04% O3 = 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

Distribuzione della massa Litosfera: 0.4 % solida

Mantello: 67.5 % semi-fluido

Nucleo esterno: 30.5 % semi-fluido

Nucleo interno: 1.6 % solido

Composizione chimica

Fe: 34.6 % Mg: 12.7 %

O: 29.5 % Ni: 2.4 %

Si: 15.2 % S: 1.9 %

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

(tempi in anni dall’epoca attuale)

- 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

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

Le “Supernovae”: alla fine della loro evoluzione le stelle di grande massa (M > 8 MSole) 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

Gli altri elementi chimici si formano all’interno delle 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

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)

Localizzazione degli “elementi pesanti”

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 · 1030 kg 0.08 · MSole < Massa delle stelle < 100 · MSole

nucleo

Composizione Chimica del Sole:

Idrogeno: 73% Elio: 25% Elementi pesanti: 2% (r = 1.41 g/cm3)

Ogni secondo il Sole converte nel nucleo 564.5 · 109 kg di Idrogeno (pari a 2.83 · 10-19 della sua massa) in 560 · 109 kg di Elio

Ogni secondo nel nucleo del Sole hanno luogo 92 · 1036 reazioni p-p, che producono un’energia pari a circa 3.85 · 1026 J (equivalente all’energia elettrica che sarebbe possibile produrre sulla Terra in circa 4.7 milioni di anni)

Nel ‘’nucleo’’ del Sole hanno luogo reazioni di “fusione nucleare”: l’Idrogeno si trasforma in 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”

Vale la relazione: TMS 10 · 109 /M2.5 anni (con ‘’M’’ in masse solari)

Le stelle con M > 2.5 · MSole si evolvono troppo rapidamente

Infatti se M = 2.5 · MSole si avrà: TMS 109 anni

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 • 109 anni

L

T

Sole

Mercurio

Venere

Terra Marte

Fascia di abitabilità E’ la regione entro la quale un pianeta ha una temperatura tale da poter mantenere

l’acqua allo stato liquido sulla sua superficie

La composizione dell’atmosfera gioca un ruolo fondamentale (effetto serra: da -21 C a +15 C)

Sole

Mercurio

Venere

Terra Marte

Il Sole tra 5 miliardi di anni

Tra circa 5 109 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∙MSole la fascia di abitabilità si sposta dopo circa 109 anni

“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 500·106 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 CO2 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 RTerra, mentre la parte opposta è allungata in una ‘’coda’’ che si estende fino a oltre 200 RTerra

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

Distanza media Terra-Luna = 384.4 · 103 km = 60.3 · RTerra

RTerra = 3.67 · RLuna

MTerra = 81 · MLuna

Raggio Terra = 6378 km

Raggio Luna = 1738 km

Terra Luna

Terra/ Luna

Marte/ Phobos

Giove/ Ganimede

Saturno/ Titano

Urano/ Titania

Nettuno/ Tritone

81 62.5 · 106 12820 4170 24390 4760

Densità della Luna = 3.34 g/cm3

Densità della Terra = 5.52 g/cm3

Inclinazione dell’orbita lunare > 5 gradi

Origine della Luna

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

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°

Importanza della Luna

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”

MGiove = 1.899 · 1027 kg = 317.8 · MTerra = 9.5 · 10-4 (= 1/1050) · MSole

MGiove = 1.1 · 10-2 (= 1/84) · Msmallest_star = 7.9 · 10-2 (= 1/13) · Msmallest_BD

DSole-Giove = 778.5 · 106 km = 5.2 UA (e = 0.049)

RGiove = 10.86 · RTerra = 1/10 · RSole

Gli Asteroidi (o “Pianetini”)

Fascia degli Asteroidi

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

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

Orbita di Giove

Orbita di Marte Orbita della Terra

NEA e PHA

Terra NEA PHA

I NEA hanno orbite con distanza minima dal Sole (perielio) minore di 1.3 UA, quindi possono avvicinarsi notevolmente alla Terra

Quelli che si avvicinano a meno di 0.05 UA dalla Terra sono detti PHA

Eros

33x13x13 km

Marzo 2000

La sonda NEAR orbita intorno a EROS Mathilde Gaspra Ida

59x47 km 19x12x11 km 58x23 km

· Sole Terra Marte Giove

Nettuno

Plutone

Saturno

Urano

Giove

Fascia degli Asteroidi

Fascia di Kuiper

Cerere

Le “fasce” di Asteroidi

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 MTerra

West (1976)

Swift-Tuttle (1992)

Hyakutake (1996)

Le Comete

Conosciute ~ 5300 Periodiche ~ 480 (P < 200 anni)

Origine: Fascia di Kuiper (breve periodo) Nube di Oort (lungo periodo)

NComete ~ 1012; MComete ~ MGiove

“67 P / Churyumov-Gerasimenko ”

3 Agosto 2014

Foto ottenuta da 285 km di distanza dalla sonda “Rosetta”

3 km

Afelio: 5,68 UA

Perielio: 1,24 UA

Periodo: 6,45 anni

Rotazione: 12,7 h

Dimensioni: 3,5 x 4 km

Crateri da impatto

Luna

(faccia “nascosta”)

Mimas

Mercurio

Ganimede

Il “ruolo” di Giove

16 – 20 Luglio 1994

20 impatti (Dmax = 2 km)

v = 60 km/s

Giove e la cometa Shoemaker-Levy

Giove “protegge” la parte interna del Sistema Solare

La Terra è soggetta a un continuo “bombardamento” da parte di “piccoli” corpi del Sistema Solare (40.000 ton/anno)

La Terra, gli Asteroidi e le Comete

x 100

x 1/3

Una frazione del tutto trascurabile (6.7 10-18) della massa della Terra

La Terra è soggetta a un continuo “bombardamento” da parte di “piccoli” corpi del Sistema Solare (40.000 ton/anno)

La Terra, gli Asteroidi e le Comete

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

Wolf Creek (Australia) età ~ 300.000 anni Diametro = 850m

Attualmente sono oltre 170 i crateri da impatto identificati

Diametro del meteorite = 25-30 m Velocità di impatto ~ 13 km/s

Diametro = 1186 m Profondità = 200 m Età = circa 49.000 anni

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

Ne sono state identificate almeno 5; si pensa che sono state causate da grandi catastrofi naturali o da notevoli e rapidi cambiamenti climatici

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”

Tardo Ordoviciano (-438)

Tardo Devoniano (-360)

Fine Permiano (-245)

Tardo Triassico (-208)

Fine Cretaceo (-65)

L’estinzione dei Dinosauri

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”

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)

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)

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)

E’ molto difficile identificare NEA con diametro minore di 50 m

Si pensa ne esistano almeno 50.000

NEAT (Near-Earth Asteroid Tracking system)

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/

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

Il meteorite di Chelyabinsk

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 ∙ 108 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

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)

Che la vita si sia sviluppata su altri pianeti è un’idea che ha profonde radici nel pensiero scientifico e filosofico

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 (Mminima < MTerra)

Quanto è ‘’unico’’ l’insieme di caratteristiche e di processi che esistono e/o si sono sviluppati sulla Terra ?

Cosa stiamo cercando ?

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