Chimica e didattica della chimica L'universo e il pianeta Luca Fiorani.

Chimica e didattica della chimica

L'universo e il pianeta

Luca Fiorani

Luca Fiorani – Chimica e didattica della chimica

Cosa apprenderemo in questo modulo?

L’Universo: come è nato e quanti anni ha Il nostro pianeta: come si è formato e

come è comparsa la vita

Le risorse energetiche che ci regala la Terra


La vita è una fantastica avventura

Gli inglesi dicono che per raccontare bene una storia si deve ricorrere alla regola delle 5 W Who? Chi? Where? Dove? When? Quando? What? Cosa? Why? Perchè?

Who? L’uomo

Where? L’universo o cosmo


L’universo

L’universo è la nostra casa. Ognuno di noi è un essere spazio-temporale, viviamo infatti in un dato luogo e in un determinato periodo storico.

Il "luogo" è per noi una necessità. Abbiamo bisogno infatti di un "dove" per poter esplicare la nostra esistenza.

Che cosa sarebbe di noi senza un "dove"? Per autocomprenderci abbiamo bisogno di situarci e di conoscere il luogo del nostro stare.


Conoscenza dell’universo

Con il perfezionamento degli strumenti d’osservazione quali i telescopi e i radiotelescopi, l’uomo ha scoperto che il cosmo osservabile è incredibilmente vasto e riempito da un numero impressionante di strutture


Dimensioni dell’universo L’universo osservabile è incredibilmente

vasto. La nostra galassia ha un diametro di circa 100 mila anni-luce ed è composta da circa 100 miliardi di stelle di cui il nostro Sole è soltanto una. Ma nell’universo oggi osservato vi sono non meno di altri 100 miliardi di galassie.

Gli oggetti più distanti da noi che siamo in grado di osservare (quasars e galassie) sono distanti circa 10 miliardi di anni-luce. Il che vuol dire che la luce che noi riceviamo oggi da questi oggetti è partita da loro circa 10 miliardi di anni fa.


Cos'è un anno luce? L'anno luce (al) è un'unità di misura della

lunghezza, definita come la distanza percorsa dalla luce nell'intervallo di un anno

Infatti la luce è composta di particelle dette fotoni che viaggiano alla velocità più elevata che si conosca, ma comunque non infinita

Questa velocità è pari a 300.000 km al secondo

Per cui un fotone, in un anno, percorre una distanza pari a300.000 × 365 × 24 × 60 × 60 = 9461 miliardi di km

VelocitàDellaluce

Giorni in un anno

Ore in un giorno

MinutiIn un ora

Secondi in un minuto


Il telescopio spaziale Hubble l telescopio spaziale Hubble è un

telescopio posto negli strati esterni dell'atmosfera terrestre, a circa 560 km di altezza, in orbita attorno alla Terra (ogni orbita dura circa 92 minuti). È stato lanciato il 24 aprile 1990 con lo Space Shuttle Discovery e permette di osservare gli spazi interstellari senza l’interferenza dell’atmosfera terrestre.


Nascita ed età dell’universo (What? e When?) La domanda naturale osservando l’universo

è: come e quando è nato? Come? Le osservazioni attuali permettono

di concludere che: l’universo nasce con una grande esplosione

detta Big Bang l’universo si espande

Quando? Almeno 13.5 miliardi di anni fa (l’oggetto stellare più lontano osservato da noi dista 13.5 miliardi di anni luce) anche se si pensa che l'universo abbia 15 miliardi di anni


Teoria del Big Bang:prove sperimentali L’osservazione alla base

della Teoria del Big bang è il dato sperimentale che le galassie si allontanano tra di loro, come frammenti di una grossa palla di materia esplosa

Inoltre esiste un rumore di fondo nell’universo (radiazione cosmica di fondo) che viene interpretato come l’eco dell’esplosione

Luca Fiorani – Chimica e didattica della chimicaEtà dell’universo: prova

sperimentale La luce viaggia a 300.000 km al secondo Per cui se un oggetto che emette luce è distante

da me 300.000 km, la luce impiega un secondo a raggiungermi. La luce che vedo è quella emessa un secondo prima.

Quindi, se si sono osservati oggetti stellari (quasar) ad una distanza che la luce impiegherebbe 13.5 miliardi di anni a percorrere (13.5 miliardi di anni luce) vuol dire che la luce che oggi osserviamo è stata emessa 13.5 miliardi di anni fa. In conclusione, 13.5 miliardi di anni fa l’universo già esisteva!

300.000 Km

1 secondo


L’evoluzione dell’universo

La scienza non può parlare del Big Bang in sé (né di ciò che c'era prima) ma solo di quello che è accaduto dopo: è con la grande esplosione che hanno inizio lo spazio e il tempo

Le conoscenze attuali ci permettono di risalire a 10-43 secondi dopo l'inizio dell'universo

Dopo 10-4 s la temperatura è 1012 K: si formano elettroni, neutrini, protoni e neutroni (gli ultimi due a partire dai quark) in un "mare" di fotoni

Tra 14 s e 3 minuti si riduce il numero delle particelle dotate di massa: rimangono pochi elettroni, protoni e neutroni (per un quarto combinati a formare nuclei di elio) in un "mare" di neutrini e fotoni



In realtà, tra 100 s (3×109 K) e 200 s (109 K) si formarono anche nuclei più pesanti (nucleosintesi primordiale): litio (3 p e 4 n) e boro (5 p e 6 n)

Dopo 30 minuti (3×108 K) la materia era ancora densa (10 volte l'acqua)

Dopo 300 mila anni (4000 K) si formarono gli atomi di idrogeno ed elio

Soltanto dopo qualche miliardo di anni si sono iniziate a formare le prime stelle e i primi pianeti

Gli elementi fino al ferro si sono formati nelle stelle (nucleosintesi stellare), quelli fino all'uranio nelle supernovae dai cui resti si sono formate le stelle di seconda generazione



Piccole quantità di alcune semplici molecole si formarono già nell'universo primordiale:

monossido di carbonio CO acido cianidrico HCN metanolo CH3OH etanolo C2H3OH ammonica NH3

formammide HCONH2

acqua H2O C'erano anche polveri:

silicati, carbonati, fuliggine, diamante, ghiaccio


L’evoluzione dell’Universo

Un bellissiomo graficoche mostra in alto quanto tempo è passato dallo scoppio del Big Bang e in basso la temperatura. Nel mezzo è disegnata lamateria chesi formava. L’uomo compare dopo 15 miliardi di anni


Le 5 W dell’avventura dell’universo

Resta una sola risposta da dare per soddisfare la regola delle 5 W e raccontare in maniera completa l’avventura della nascita dell’universo

WHY?

Ma qui ci fermiamo e rimandiamo ad altri corsi…


Origine ed evoluzione della Terra

Immaginiamo di paragonare la sua età (4.5 miliardi di anni) ad un anno terrestre: così facendo, ogni giorno di questo calendario corrisponde a 12.328.767 anni reali. In pratica la Terra nasce il 1 gennaio, mentre adesso è la mezzanotte del 31 dicembre


Atmosfera: un miscuglio di gas composto da metano, idrogeno, azoto, vapore acqueo ed anidride carbonica

Gennaio (da -4500 a -4117 milioni di anni)

Intanto è passato un mese, siamo al 31 gennaio ed il lento processo di formazione della terra è appena all'inizio ...

Contrazione: Le particelle di ferro e silicio si uniscono a polveri, gas e ghiaccio

Differenziazione: gli elementi pesanti cadono verso il centro, gli elementi più leggeri rimangono in superficie

Nascita del sistema solare


Febbraio (da –4117 a –3772 milioni di anni)

Il 28 febbraio succede un fatto inatteso ed incredibile… nasce la vita sulla terra!

Esperimento di Miller-Urey


Marzo (da -3772 a –3390 milioni di anni)

Fra le molecole che si sono create, ce ne sono alcune molto particolari perché si uniscono a formare i coacervati

Successivamente compaiono i primi organismi capaci di fotosintesi, procarioti anaerobi fotosintetici, le prime alghe

Grazie alla fotosintesi delle alghe inizia a formarsi un'atmosfera in cui è finalmente presente anche l'ossigeno

Nascono i primi organismi viventi


Marzo (da -3772 a –3390 milioni di anni)

Deriva dei continenti… continuerà a far cambiare fisionomia al nostro pianeta fino a oggi


Aprile (da -3390 a -3020 milioni di anni)

La terra che i fiumi hanno strappato dai continenti è trasportata fino agli oceani, dove è sedimentata. Lo strato di questi sedimenti cresce, pesa e sprofonda fino a solidificarsi: si formano le rocce.

Le alghe si danno un gran da fare per arricchire l'atmosfera di ossigeno. I batteri e le alghe sono ancora per molto tempo gli unici abitatori della Terra.


Maggio (da -3020 a -2638 milioni di anni)

Catene montuose: prodotte dallo scontro delle regioni della crosta terrestre che si muovono grazie alle forze che provengono dal mantello

Queste orogenesi saranno sempre presenti durante tutta la vita della Terra, come i fenomeni di deriva dei continenti che le provocano


Giugno (da -2638 a -2268 milioni di anni)

Il pianeta Terra continua nella sua lenta ed inesauribile evoluzione:

1. aumenta il numero dei vulcani

2. aumenta il numero delle specie viventi

3. l'atmosfera cambia la sua composizione arricchendosi sempre di più in ossigeno

4. gli oceani diventano sempre più pieni di acqua salata


Luglio (da –2268 a –1886 milioni di anni)

L’atmosfera è ora simile alla nostra per quanto riguarda la concentrazione di azoto (80%); l’ossigeno ancora non è al suo massimo, ma è sempre più presente:

1. scomparsa di batteri anaerobi

2. adattamento al nuovo ambiente (archeobatteri anaerobi e batteri aerobi fotosintetici)


L'atmosfera è prevalentemente costituita da: 78% Azoto (N2) 20% Ossigeno (O2) 2 % Argon (Ar), anidride carbonica (CO2) ed elementi vari che cambiano da regione a regione in modo quasi casuale

Il 21 agosto comincia a formarsi lo strato di Ozono (O3)

Agosto (da -1886 a -1504 milioni di anni)

AtmosferaEh si..., a quei tempi si respirava aria buona, mica come oggi, con tutti questi tubi di scappamento e ciminiere varie!


Agosto (da -1886 a -1504 milioni di anni) Quanto è spessa l'atmosfera e dove comincia lo spazio siderale?L'atmosfera viene suddivisa in quattro strati chiamati SFERE in base all'andamento della temperatura con la quota:

• TROPOSFERA

• STRATOSFERA

• MESOSFERA

• TERMOSFERA


Settembre (da -1504 a -1134 milioni di anni)

L'evoluzione della Terra continua lentamente…


Ottobre (da -1134 a -752 milioni di anni)

Compaiono le prime colonie di organismi unicellulari, come ad esempio i Volvox, e con esse, la differenziazione cellulare

Il 10 ottobre compaiono le prime cellule eucariote


Novembre (da –752 a –382 milioni di anni)

17 Novembre (540 milioni di anni fa) nascono i trilobiti

27 Novembre si formano i primi scheletri e il primo pesce

28 Novembre nascono i primi anfibi

Eccoci al mese dove la vita sulla Terra subisce un'impennata clamorosa e spettacolare...


Dicembre (da –752 a –382 milioni di anni)

2 Dicembre: durante il Carbonifero compaiono le prime foreste di felci e conifere, che daranno origine agli enormi giacimenti di carbone

31 Dicembre: si sviluppa l’uomo

31 Dicembre (gli ultimi 10 minuti di evoluzione): nella savana africana gli Homo sapiens sapiens si sono ben evoluti

13 Dicembre: il primo dinosauro


Il Pianeta Terra

Il Pianeta Terra come oggi lo conosciamo, con la sua struttura geologica, la sua flora e fauna e i suoi abitanti è il risultato di una lenta evoluzione ancora in atto…


Risorse RINNOVABILI naturalmente in tempi ridotti, purché utilizzate in maniera accurata; esse corrispondono ai suoli agricoli, ai pascoli, alle foreste e alle cosiddette fonti rinnovabili, ovvero l'energia derivante da sole, vento, correnti marine, maree, salti d’acqua…

Le risorse del pianeta TerraRisorse NON RINNOVABILI, sia per l'impossibilità a rigenerarsi, sia per il lungo tempo necessario a ciò; in esse sono compresi tutti i minerali e i combustibili fossili…


Carboni fossili

Le risorse NON RINNOVABILI

Il carbone che si estrae oggi si è formato centinaia di milioni di anni fa nelle paludi preistoriche (345 – 280 milioni di anni fa)


Gas naturale

Petrolio

Le risorse NON RINNOVABILIPetrolio e gas naturaleIl petrolio e il gas naturale hanno avuto origine negli oceani preistorici (30 – 180 milioni di anni fa)


Le risorse NON RINNOVABILIEnergia nucleareNelle reazioni di fissione nuclei di atomi pesanti (uranio, plutonio e torio) si spezzano producendo nuclei con numero atomico minore, diminuendo la propria massa totale e liberando una grande quantità di energia.VIDEO: La radioattività


Le risorse RINNOVABILIEnergia solare

Il Sole invia sulla Terra una grande quantità di energia. L’energia consente la vita sulla Terra (ciclo dell’acqua, venti, movimento delle masse d’acqua, fotosintesi).


Le risorse RINNOVABILI

L’energia dell’acqua

L’acqua è una delle risorse più abbondanti sulla Terra. La sua energia deriva dal Sole.

L’energia del vento

Gli antichi mulini a vento si sono oggi trasformati nelle cosiddette turbine eoliche in grado di produrre direttamente energia elettrica


Le risorse RINNOVABILICalore interno della Terra

Nel sottosuolo, è presente acqua riscaldata dal magma, con opportune perforazioni essa viene raggiunta e il vapore viene inviato alla turbina, collegata all’alternatore che produce energia elettrica

All’interno della Terra è contenuta una quantità enorme di calore, ma esso può essere sfruttato solo in quelle zone dove si trovano rocce calde, cioè nelle zone vulcaniche


Le risorse RINNOVABILI

Energia delle biomasseLe biomasse sono tutti i materiali organici che possono essere trasformati in combustibili

L’energia contenuta in questi materiali deriva dall’energia solare (fotosintesi). Questa energia proviene anche dagli scarti dell’agricoltura e dell’allevamento degli animali sottoposti a particolari processi che li trasformano in combustibili solidi, liquidi e gassosi, utilizzabili per la produzione di calore o di elettricità (ad es. con la fermentazione biologica).


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Fine della lezione…

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