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ScientificaMENTE – IL SOLE, FONTE INESAURIBILE DI ENERGIA (?)

ScientificaMENTE è una serie di articoli dedicati alla divulgazione scientifica.
Affrontiamo argomenti di Biologia, Chimica, Geografia, Scienze della Terra e molti altri di carattere tecnico – scientifico, utilizzando termini il più possibile semplificati, allo scopo di avvicinare le materie scientifiche al più vasto pubblico di lettori.

 

ScientificaMENTE – IL SOLE, FONTE INESAURIBILE DI ENERGIA (?)

 

Il Sole è senza dubbio l’oggetto dell’universo più importante per l’uomo, in quanto da esso dipende ogni forma di vita sulla Terra e qualsiasi altro tipo di vita che potrebbe essersi sviluppato nel sistema solare.

Questa stella è un’enorme sfera incandescente, il cui diametro effettivo misura 1.393.000 km, e la cui massa è pari a 330.000 volte quella della Terra.

Utilizzando i metodi della fisica, gli astronomi hanno potuto stabilire che la temperatura è di circa 6000 K (gradi Kelvin) pari a circa 5700 °C.

Soltanto una minuscola frazione della enorme quantità di energia prodotta dal Sole viene intercettata dalla Terra e trasformata in calore. Tuttavia essa è sufficiente a riscaldare l’intero pianeta e a mantenervi la vita.

La sorgente di energia del Sole è la fusione nucleare, per il cui innesco occorrono temperature elevatissime, quali appunto si riscontrano nel nucleo solare.

Il centro del Sole è quindi paragonabile ad un reattore termonucleare, nel quale nuclei di idrogeno si fondono tra loro per formare elio, rilasciando così una straordinaria quantità di energia.

In ogni secondo il Sole fonde 600 milioni di tonnellate di idrogeno, producendo una quantità di energia pari a 400.000 miliardi di miliardi di KW. Nonostante il Sole trasformi una quantità così ingente della sua massa, quale quantità appare del tutto trascurabile se paragonata alla sua immensa massa totale, tale da consentirgli di produrre energia per alcuni miliardi di anni ancora.

Tenendo conto di vari fattori, fra cui:

  • L’immensa produzione di energia senza apprezzabile consumo di combustibile;
  • Il fatto che il Sole splenda da oltre 4 miliardi di anni senza aver mostrato apprezzabili cambiamenti;
  • Il fatto che il clima terrestre si sia mantenuto pressoché stabile per 3,5 miliardi di anni e la luminosità solare abbia conservato valori tali da permettere l’esistenza dell’acqua allo stato liquido sulla Terra per tutto questo periodo di tempo, è stato proposto un modello della struttura interna del nostro astro che, in accordo con le leggi della fisica, sia in grado di spiegare gran parte delle osservazioni effettuate.

Tale modello, in linea generale, può essere ritenuto valido anche molte altre stelle.

Il Sole è un’immensa sfera gassosa in cui temperatura, pressione e densità vanno diminuendo dal centro verso la superficie, ma non uniformemente. Queste variazioni determinano la struttura dell’astro e il modo con cui l’energia prodotta viene trasportata dall’esterno.

Al centro della sfera gassosa vi è il nucleo che costituisce circa il10% del volume totale e in cui viene prodotta l’energia. Attorno ad esso vi è uno strato di notevole spessore attraverso il quale l’energia prodotta si propaga verso l’esterno, prima per irraggiamento e successivamente per convezione.

L’irraggiamento predomina negli strati più interni, in cui la temperatura non subisce grandi variazioni, e consiste in una serie di assorbimenti e successive emissioni di energia senza che si formino correnti di materia.

Con questo meccanismo detto radiativo, ogni strato di atomi assorbe l’energia da quello sottostante e la ritrasmette a quello sovrastante. In questo modo le radiazioni dure e penetranti prodotte dal nucleo (raggi X) vengono trasformate in altre radiazioni via via meno dure. Si tratta di un processo lentissimo in quanto è stato calcolato che occorrono circa 2 milioni di anni perché un singolo quanto di energia (fotone) riesca ad attraversare tutto il Sole dal centro alla superficie.

Proseguendo verso strati più esterni invece, a causa della diminuzione progressiva della temperatura, l’energia fluisce per convezione: correnti di idrogeno caldo e leggero salgono verso la superficie dove cedono energia e, raffreddate, si appesantiscono e ridiscendono. In questo modo si formano gigantesche celle convettive che vediamo affiorare nel caratteristico aspetto granulare della fotosfera. Qui giunta, l’energia viene liberata nello spazio circostante sotto forma di radiazione.


IL DIAGRAMMA DI HERTZSPRUNG-RUSSEL
Conoscendo la magnitudine assoluta (luminosità) di una stella, i tipi spettrali (colore apparente) funzionali alla temperatura, è possibile collocarla in un diagramma, che evidenzia la tipologia principale alla quale essa appartiene e, contestualmente, individuarne il possibile cammino evolutivo.
La fascia centrale prende il nome di sequenza principale e le stelle che vi appartengono, compreso il nostro Sole che è una stella gialla, possono essere considerate in uno stadio di maturità.
Altri tipi spettrali notori sono:
• Giganti azzurre, molto grandi ed estremamente calde
• Giganti rosse, molto grandi ma relativamente fredde
• Nane rosse, piccole e relativamente fredde
• Nane bianche, molto piccole, con un diametro poco più grande della Terra, con una bassa luminosità assoluta ma capaci di produrre grandissime quantità di energia.

 

 

 

Bibliografia
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O. Lupia Palmieri, M. Parotto – Terra, edizione verde – Scienze Zanichelli, 2016
C. Cavazzuti, L. Gandola, R. Oddone – La Terra intorno a noi – Scienze Zanichelli, 2016
I. Baroni, R. Corsi, F. Costagli – Sfera plus: L’Universo e la Terra; La materia e l’energia; Gli esseri viventi e l’ambiente; L’uomo – Sei, 2015
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M. Torri, G. Santi – Tettonica delle placche – Principato, 2015
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Geoidea – GEOSTART – De Agostini, 2014
L. Morelli – Geografia, Economia, Cultura – Mondadori Education, 2014
E. Fedrizzi – GEO Sistemi e Atlante Geografico – Minerva Scuola - Mondadori Education, 2014

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D. Sadava, et alii – Biologia.blu, le basi molecolari della vita e dell’evoluzione – Zanichelli, 2014
P. Battaglini, E. Totaro Aloj – Il sistema della vita – Le Monnier, 1978
S. Zanoli – Biologia, elementi e immagini – Le Monnier, 2015

F. Tottola, A. Allegrezza, M. Righetti – Biochimica, dal carbonio alle nuove tecnologie – Mondadori, 2014
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M. Vezzoli. C. Vicari – Biotecnologie – Principato, 2014
M. Vezzoli. C. Vicari – Ecologia e Ambiente – Principato, 2014
E. Stocchi – Chimica, un invito a capire i fenomeni della natura – Atlas 1981
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F. Randazzo, P. Stroppa – Chimica, alimenti e sostenibilità – Mondadori, 2014

  • Pubblicato in Cultura

C’È VITA NELL’UNIVERSO? ultima puntata: MARTE, IL PIANETA ROSSO

Marte, il pianeta rosso

 Dopo aver esaminato ed escluso la possibilità di sussistenza delle condizioni necessarie affinchè la vita possa albergare nei pianeti del sistema solare, Marte rimane allora l’unico corpo astrale che sembra presentare le condizioni minime per qualche forma di vita, finanche primordiale.

Trattiene un’atmosfera di elementi leggeri e la temperatura in superficie è compatibile con l’esigenza di stabilità dei composti organici. Però, se queste sono condizioni necessarie per lo sviluppo della vita, non sono di per sé sufficienti. L’atmosfera è composta per il 75% da anidride carbonica, e misure condotte dalla sonda Mariner 7 hanno rivelato che le calotte polari sono costituite da anidride carbonica ghiacciata e non da acqua allo stato di congelamento, come si ipotizzava nel secolo scorso.

L’attuale descrizione di Marte è meno promettente, per l’esistenza di forme di vita, di come appariva nel XIX secolo. Le sonde e i rover inviati sulla sua superficie hanno rivelato che i contrasti di colore riscontrati sono dovuti a movimenti di polvere spinti dai venti.

L’acqua di Marte, inoltre, data la secchezza dell’atmosfera, è stabile solo allo stato di vapore o come ghiaccio. L’acqua liquida può esistere solo sotto forma di soluzione ricca di soluti. La scarsa disponibilità di acqua rappresenta un notevole fattore limitante per la vita, come si può verificare, ad esempio, dalla distribuzione degli organismi viventi sulla Terra. Sono pochissime, infatti, le specie che si sono potute adattare e crescere in soluzioni relativamente anidre, come soluzioni concentrate di sali o soluzioni concentrate di saccarosio.

Nell’Antartico i microrganismi sono quasi assenti e i pochi che ci sono si ritiene che siano stati trasportati dal vento, o in altro modo.

Nell’atomosfera di Marte manca inoltre l’azoto, anch’esso necessario per le forme viventi terrestri.

Infine facciamo chiarezza sui famigerati “canali”. Si è sempre ritenuto che potessero essere solchi dovuti all’erosione da parte di eventuali solchi d’acqua. Avendo però constatato che l’acqua liquida è attualmente assente sul pianeta rosso, si deve pensare ad una fusione di nubi ghiacciate avvenuta in epoche precedenti a seguito di variazioni climatiche. Variazioni di questo genere possono essere ammissibili, dal momento che l’inclinazione dell’asse marziano oscilla con una periodicità di svariati milioni di anni. Se vi è stata un’epoca in cui questa inclinazione ha portato all’instaurarsi di un clima simile a quello terrestre nella zona equatoriale di Marte, si può supporre che si sia resa disponibile una quantità di acqua liquida sufficiente alla formazione di canali e forse all’evoluzione di viventi simili a quelli terrestri. Questi ultimi, però, sarebbero andati incontro a periodi di quiescenza o di estinzione nel successivo periodo glaciale che attualmente interessa il pianeta rosso.

Per approfondire leggi anche:

http://scienzenotizie.it/2015/11/09/scoperta-nebbia-acida-su-marte-538552#

 

C’È VITA NELL’UNIVERSO? parte 3

La Luna, Venere e Giove

L’atmosfera attuale della Terra è costituita per la sua maggior parte da Azoto (80%), con il 20% circa di Ossigeno e soltanto lo 0,03% di Anidride Carbonica più tracce di altri elementi e vapore acqueo in quantità variabile.

Se è corretto pensare, come abbiamo accennato nelle puntate precedenti di questo articolo, che la vita sia basata sulla chimica del Carbonio, allora la maggior parte dei corpi presenti nel sistema solare può essere esclusa come potenziale sede di forme di vita extraterrestre.

Si devono infatti escludere tutti quei corpi la cui temperatura supera il limite che corrisponde alla stabilità delle molecole complesse. Tra i 200-300°C gli amminoacidi (i mattoncini costituenti le proteine) decompongono rapidamente. Ammettendo che la temperatura di possibili corpi abitabili non dovrebbe superare i 250°C si va già molto oltre il valore limite, considerando che anche in ambienti estremi terrestri sono stati rinvenuti batteri o archei cosiddetti estremofili.

Dai corpi celesti possibile sede di forme di vita vanno altresì esclusi quelli privi di atmosfera. I composti volatili prodotti dal metabolismo di eventuali organismi viventi o dal calore e dalla luce che agiscono nella loro decomposizione, entrano infatti nell’atmosfera e rappresentano un passaggio chiave nel ciclo della materia. Se essi sfuggono perche non possono essere trattenuti dalla forza gravitazionale del pianeta, la vita, anche ammettendo che si possa essere formata, non potrebbe perdurare nel tempo. La vita, anche se annidata nei più reconditi anfratti delle profondità, è legata sia agli scambi di materia, sia all’energia che derivano, in ultima analisi, dal Sole, o da un altro corpo astrale.

Senza energia solare, incapace di penetrare in profondità, non vi sarebbe rinnovo delle sorgenti chimiche di energia.

Pertanto possiamo escludere categoricamente la Luna, come possibile sede di vita extraterrestre.

Anche Venere, per molto tempo immaginata come una “gemella” della Terra a causa delle sue dimensioni molto simili, dell’atmosfera pesante e della vicinanza, può essere esclusa per la sua elevata temperatura superficiale (circa 400°C), confermata dalle sonde spaziali che sono giunte in prossimità di questo pianeta.

Luminoso e affascinante, Venere è circondato da uno spesso strato di nubi, che riflette la luce solare rendendolo splendente e visibile. La sua atmosfera è percorsa tuttavia da incessanti moti convettivi che la rendono estremamente turbolenta e greve.

Giove e Saturno hanno invece un’atmosfera pesante composta da idrogeno, elio, metano e ammoniaca. È questa una composizione simile a quella ipotizzata per l’atmosfera primitiva (parleremo prossimamente del celebre esperimento di Miller) e quindi potrebbe sembrare idonea alla comparsa di composti organici e di sistemi biologici. Tuttavia, questa possibilità è invalidata dalle condizioni termiche dei due pianeti. Su Giove, infatti, la temperatura varia da -140°C alla sommità delle nuvole di ghiaccio e ammoniaca, fino a temperature di 10.000°C al centro del pianeta. È notorio che questo pianeta conserva una somiglianza con la composizione originaria del sistema solare, ricca di idrogeno ed elio, al punto di essere considerato una “stella mancata”. Se pure esistesse una superficie solida, cosa della quale gli studiosi dubitano, la sua temperatura eccederebbe ampiamente i limiti di stabilità dei composti organici.

C’È VITA NELL’UNIVERSO? parte 2

Pianeti “interni” ed “esterni” del Sistema Solare

I materiali più rari dell’universo si trovano attualmente concentrati in punti localizzati: i pianeti. Nel sistema solare i pianeti più vicini al sole (Mercurio, Venere, Terra, Marte) sono piccoli ed essenzialmente rocciosi, contengono ferro e silicio, e scarseggiano degli elementi più leggeri. Quelli più lontani invece (Giove, Saturno, Urano, Nettuno) sono più grossi e formati prevalentemente da elementi leggeri (sotto forma di ghiaccio, ammoniaca solida, metano ed altri composti). La diversa composizione dei pianeti è una conseguenza della densità, della composizione e della temperatura delle nuvole di polvere che sono condensate. Infatti la possibilità di trattenere i vari gas nella propria atmosfera dipende da diversi fattori:

  1. Dal campo gravitazionale di ciascun pianeta: un pianeta grande e pesante possiede un campo gravitazionale maggiore e riesce a trattenere meglio i gas.
  2. Dalla temperatura dell’atmosfera: se la temperatura è elevata, atomi e molecole si muovono più rapidamente riuscendo a sfuggire con maggiore facilità al campo gravitazionale del pianeta.
  3. Dal peso molecolare dei singoli gas: quanto più un gas è pesante, tanto più facilmente verrà trattenuto.

Si spiega così perché Giove e Saturno, grazie alle loro notevoli dimensioni e alla loro temperatura piuttosto bassa, siano riusciti a trattenere nella loro atmosfera sia l’idrogeno che l’elio, mentre Marte e la Terra li hanno perduti, essendo più piccoli e più caldi. La Luna dal canto suo non possiede atmosfera perché, date le sue piccole dimensioni, non è riuscita a trattenere alcun gas.

Il sistema Sole-Terra in particolare sembra essere dotato di una notevole velocità di trasformazione della materia verso stati di complessità sempre maggiore. La Terra, infatti, rappresenta una riserva di reattivi chimici a “buona” distanza dalla fonte di energia costituita dal Sole: la vita sulla Terra è una manifestazione della chimica degli elementi leggeri, in particolare del carbonio.

C’È VITA NELL’UNIVERSO? PARTE 1

Le possibilità chimiche per la vita nel Sistema Solare

La composizione chimica dell’Universo è molto monotona: 99% di idrogeno e di elio e soltanto l’1% di elementi pesanti. Idrogeno, elio e altri elementi non si trovano dispersi nello spazio, ma sono ammassati in immense nubi di gas e polvere cosmica. Alcuni di questi ammassi, punti locali di condensazione gravitazionale dei gas, danno origine a stelle che emettono radiazioni elettromagnetiche grazie alle reazioni termonucleari che avvengono in esse. Altri invece, i pianeti sono oscuri e ricchi di polvere di roccia. Le stelle, i pianeti e ancora i gas e le polveri formano le galassie, la cui estensione è tale che la luce impiega centinaia di migliaia di anni per percorrerle.

L’elemento più semplice, l’idrogeno, è stato presumibilmente il primo degli elementi e da esso si sarebbero originati tutti gli altri atomi caratteristici dei diversi elementi presenti nell’universo. Un tale evento, iniziatosi miliardi di anni or sono, avrebbe trovato i suoi presupposti in un ambiente particolare quale l’interno del Sole, o l’interno delle altre stelle, enormi reattori a fusione, dove sia la temperatura sia la pressione sono ad un livello incredibilmente alto e dove quindi gli atomi di idrogeno possono fondere dando origine ad atomi di elio. Processi similari continuarono a verificarsi nel Sole dando origine ad atomi via via più complessi, con crescente numero di elettroni, protoni e neutroni.

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