Caratteri geologici della Luna

Caratteri geologici della Luna

Perché la Luna è oggetto di accurate osservazioni fin dai primordi dell'astronomia?

A parte le credenze religiose che la fecero da sempre rientrare (insieme al Sole) in molti dei miti e delle religioni antiche, la Luna, per la regolarità delle sue fasi, offriva un mezzo efficace per misurare lo scorrere del tempo. Oggi della Luna si conoscono molte più cose che nel passato, grazie alle numerose spedizioni che, dal 1969 in poi, hanno riportato sulla Terra campioni del suolo, ricchi di informazioni sul processo di formazione.

Caratteri Geo-morfologici

La Luna è l'unico satellite naturale della Terra, il più interno tra tutti i satelliti del nostro sistema planetario. È un astro privo di luce propria, costituito da materiali allo stato solido, dotato di una forma pressoché sferica.

Le osservazioni che da lungo tempo si eseguono dalla Terra e le esplorazioni dirette della superficie lunare hanno dimostrato che la Luna non ha un'atmosfera gassosa e neanche acque simili a quelle terrestri (oceani, laghi, fiumi). La mancanza di atmosfera fa sì che la temperatura del suolo raggiunga i 190 gradi sotto zero nelle regioni non illuminate dal Sole, e i 170°, nelle zone illuminate.

Le variazioni di temperatura risultano però lente e graduali poiché giorno e notte durano ciascuno circa 14 giorni.

Fu Galileo il primo a osservare la Luna con un telescopio e a darne una descrizione particolareggiata: fu il primo a scorgere le caratteristiche più evidenti del suolo lunare.

i mari, grandi zone piatte e depresse di colore scuro, desolate pianure di lava che occupano il 40% del disco visibile dalla Terra

i continenti, che occupano il restante 60%, accidentati e montagnosi, attraversati da catene di montagne. (osservando le ombre proiettate da esse, è facile intuire i 10000 metri di altezza).

I crateri, che costellano sia i mari sia i continenti, circondati da muraglioni che possono arrivare a 3000 metri di altezza nei crateri maggiori. Il fondo dei crateri è depresso, e ciò fa intendere che hanno avuto origine da cause esterne, come la caduta di blocchi rocciosi.

L'aspetto delle due facce è però diverso: scienziati hanno ipotizzato l'assenza di mari sulla faccia non visibile, a causa di una disomogeneità chimica presente all'epoca della formazione della Luna.

I campioni del suolo lunare riportati sulla Terra da Armstrong e Al drin sono abbastanza simili alle rocce terrestri, per quanto riguarda la composizione, salvo che per il Ferro, presente in quantità scarse.

Le rocce lunari sono rocce refrattarie (possiedono un elevato punto di fusione), solidificate da magma fuso alla temperatura di 1200°C. La loro composizione chimica mostra un abbondanza di ossigeno (60%), seguito dal silicio (16-17%), dall'alluminio, dal calcio, magnesio, ferro e titanio. I mari sono composti da basalti, i continenti da anortositi, una roccia ignea composta prevalentemente da feldspati (uno dei componenti principali della crosta terrestre).

L'attività sismica sulla Luna non è paragonabile a quella della Terra; si registrano alcune scosse quando la Luna si trova più lontana o più vicina alla Terra a causa dell'attrazione terrestre che provoca piccole deformazioni. I dati sismici hanno permesso di stabilire che l'interno della Luna presenta una suddivisione in crosta, mantello e nucleo simile a quella della Terra; sotto una litosfera rigida si trova uno strato plastico simile all'astenosfera, ma molto meno attivo. Essa si colloca attorno ai 1000 km, ad una profondità molto maggiore di quella terrestre.

La crosta lunare non è frammentata in placche tettoniche, presenta uno spessore medio di 70 km ed è generalmente più spessa nella faccia non rivolta alla Terra (100 km). Il mantello, dove sembrano originarsi i terremoti, si estende probabilmente per altri 800 km in profondità. È pressoché certo che la Luna non possieda il nucleo allo stato liquido: la prova è data dall'assenza di un campo magnetico che, nei pianeti che ne sono dotati, è spiegato con l'effetto dinamo osservato in un nucleo liquido.

Come si è originata la Luna?

Sono state avanzate una varietà sconcertante di ipotesi.

Teoria della FISSIONE (Figura 1) si suppone che la Luna abbia avuto origine per separazione dalla Terra a causa di forze centrifughe. In questo caso è però difficile da spiegare l'inclinazione dell'orbita lunare su quella terrestre.

Teoria della CATTURA (Figura 2) la Luna era in passato un pianeta indipendente che fu catturato dal campo gravitazionale terrestre e messo in rotazione su orbita lunare. Ma come ha potuto la velocità della Luna diminuire? Con quale processo di dissipazione dell'energia?

Teoria della FORMAZIONE BINARIA (Figura 3) La Luna si è originata da una serie di frammenti solidi richiamati l'uno con l'altro dalla reciproca attrazione e che, da un primo nucleo per successivi accrescimenti, si è formato il pianeta vicino alla Terra, legato gravitazionalmente ad essa.

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Nessuna delle tre ipotesi ha avuto conferma, e non ci sono condizioni sufficienti a scartare completamente qualcuna di esse.

A che teoria si è giunti  tramite lo studio delle rocce portate a Terra dalle spedizioni nello spazio?

La struttura delle rocce lunari non lascia dubbi sul fatto che esse furono prodotte dall'impatto di meteoriti sulla superficie. Questo è giustificato anche dalla presenza dei mascons, concentrazioni di materia che sono state localizzate in vari punti sotto la superficie lunare. Sono asteroidi  che, nell'impatto, hanno sfondato la crosta lunare e sono rimasti sepolti sotto di essa.

Trasportando alcune rocce radioattive sulla Terra, è stato possibile risalire all'epoca della loro formazione: i crateri sono il risultato di eventi avvenuti 4 miliardi e mezzo di anni fa, prima della formazione dei mari, che hanno cancellato parte dei primitivi crateri. In quel periodo ci fu un violento bombardamento (durato mezzo miliardo di anni) dei detriti solidi rimasti dal processo di formazione del Sistema Solare.

L'energia sviluppata nell'urto fu così grande da vaporizzare subito la superficie d'impatto, dando luogo ad un'onda esplosiva che lanciò intorno gas, vapori e rocce. (Il cratere formatosi è circondato da catene di monti come conseguenza del corrugamento della crosta in seguito all'urto.) La successiva effusione di lava dall'interno lunare colmò il dislivello e solidificandosi fece assumere al cratere l'aspetto di un mare.

Questi depositi lunari furono più abbondanti nell'emisfero della Luna rivolto verso la Terra: dall'altra parte si trovano i talassoidi, regioni di depressioni di grandezza pari ai mari lunari, ma senza lava.

La caduta di asteroidi cessa 2 miliardi di anni fa; resta solo una pioggia di polvere cosmica che ricopre il suolo di uno strato appiccicoso. Gli urti, dopo allora, si fecero più rari: da almeno 2 miliardi di anni non avvengono più cambiamenti.

I moti di rivoluzione della Luna

La Luna gode di diversi movimenti simultanei; fra questi, quelli fondamentali sono:

• il moto di rotazione, attorno al proprio asse;
• il moto di rivoluzione, intorno alla Terra;
• il moto di traslazione assieme alla Terra intorno al Sole.

Moto di rotazione

Per fare un giro completo attorno al proprio asse (in senso antiorario, per un osservatore che si trova in corrispondenza del Polo Nord celeste), la Luna impiega un tempo maggiore rispetto al pianeta Terra: la sua velocità angolare è di 13 gradi al giorno; la durata di una rotazione completa è di circa 27 giorni, la stessa del moto di rivoluzione (anch'essa in senso antiorario). È per questo che l'emisfero lunare visibile dalla Terra risulta essere sempre lo stesso.

La rotazione della Luna non è perfettamente uniforme, poiché risulta ellissoidale. L'attrazione che la Terra esercita sul rigonfiamento equatoriale in maggior misura che sulle zone polari provoca in essa delle oscillazioni di lieve entità, dette librazioni. Ma vi sono anche altri movimenti apparenti, dovuti al fatto che l'asse di rotazione della Luna non è normale al piano dell'orbita lunare, ma forma un angolo di 6° con la perpendicolare a questo piano: la Luna sembra perciò inclinarsi verso la Terra in su e in giù, mostrando ulteriori regioni dei Poli.

Moto di rivoluzione

Si effettua in senso antiorario, lungo un'orbita ellittica di cui la Terra occupa uno dei fuochi. L'ellisse orbitale lunare è un po' più "schiacciato" di quello terrestre. Nel corso della rivoluzione, la Luna non si trova quindi sempre alla stessa distanza da noi: il punto più vicino, detto perigeo, è a 356000 km dalla Terra e quello più lontano, l'apogeo, a circa 407000 km. Il piano su cui giace l'orbita lunare non è perfettamente coincidente con quella terrestre, ma inclinata di 5°, quindi entrambe si intersecano in due punti, detti nodi, mentre linea di nodi è la linea di intersezione fra i due piani orbitali.

La velocità con cui la Luna opera questo moto di rivoluzione è di 1km/s, maggiore in prossimità del perigeo, minore in prossimità dell'apogeo.

Per identificare la durata della rivoluzione, bisogna distinguere se viene riferita ad una Stella della sfera celeste o all'allineamento Terra-Sole: nel primo caso si ha una rivoluzione siderea (durata 27 giorni), nel secondo di rivoluzione sinodica (durata 29 giorni).

Terra e Luna si muovono entrambe attorno a un baricentro, o centro di massa. Poiché la Terra ha massa maggiore rispetto alla Luna, questo baricentro si trova all'interno della Terra, a 4000 km circa dal centro, e questo provoca degli effetti sul fenomeno delle maree, le quali sono dovute alla forza centrifuga connessa al moto di rivoluzione del sistema attorno a questo punto.

Vi è poi un movimento di traslazione dovuto allo spostamento della Luna rispetto al Sole. Si effettua nello stesso senso e con la stessa velocità del moto di rivoluzione della Terra. Quindi la traiettoria lunare è molto irregolare e difficile da classificare come ellisse: essa viene detta epicicloide.

Vi sono infine perturbazioni dovute all'azione attrattiva del Sole. Tra le più importanti, la regressione della linea dei nodi e la rotazione dell'asse maggiore dell'orbita lunare. Partecipa al moto di rotazione della Galassia e all'espansione dell'universo.

Le maree

La marea consiste nel ritmico elevarsi (flusso) ed abbassarsi (riflusso) del livello marino, provocato dall'attrazione gravitazionale della Luna e del Sole. È un fenomeno le cui cause sono prevalentemente astronomiche. La massima elevazione dell'acqua è detta alta marea, mentre lo stato di estremo abbassamento è detto bassa marea. La natura delle forze generatrici delle maree apparve chiara solo dopo la scoperta della legge di gravitazione universale.

Tenendo conto di distanze e masse, solo il Sole e la Luna possono generare forze di marea apprezzabili; tuttavia la forza di attrazione del Sole è meno della metà rispetto a quella della Luna, quindi per semplicità si può considerare solo il sistema Terra-Luna. Supponendo che la Terra sia ricoperta da uno strato d'acqua uniforme, la parte della Terra rivolta verso la Luna subisce la massima attrazione, mentre sulla parte opposta l'attrazione è minima. A questo bisogna aggiungere che la Terra e la Luna orbitano entrambe attorno ad un centro di massa comune che (poiché la massa terrestre è superiore a quella della Luna) si trova all'interno della Terra stessa, a circa 1600 km dalla superficie. Il sistema Terra-Luna è soggetto ad una forza centrifuga dovuta al moto di rivoluzione che esso compie attorno al proprio centro di massa. Tale forza è massima nei punti della Terra opposti alla Luna. Quindi sull'emisfero affacciato alla Luna la somma della due forze ha una componente rivolta verso la Luna (prevale l'attrazione), mentre nell'altro emisfero la somma ha una componente diretta nel verso opposto (prevale la forza centrifuga). Si formano così due rigonfiamenti d'acqua che costituiscono la alte maree: uno è rivolto sempre alla Luna, l'altro è sulla faccia opposta della Terra. Nelle zone intermedie lo spessore d'acqua risulta diminuito poiché essa è stata richiamata verso i rigonfiamenti e qui si hanno la basse maree.

A complicare il quadro, l'altezza delle maree è influenzata anche da fattori ambientali, quali la presenza di anfratti, la forza e la direzione del vento ed altri ancora. Anche l'atmosfera terrestre subisce delle maree, che provocano una variazione della pressione atmosferica.

Le fasi lunari e le eclissi

Se osserviamo il nostro satellite in diverse serate successive, ci rendiamo conto che le sue condizioni di illuminazione non sono sempre le stesse: la faccia della Luna rivolta verso la Terra si presenta ora illuminata completamente, ora solo parzialmente, ora del tutto oscura. Questi diversi aspetti, chiamati fasi lunari, dipendono dalle posizioni che la Luna assume, nel corso della sua rivoluzione, rispetto alla Terra e al Sole che la illumina.

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Quando la Luna si trova in congiunzione, ossia dalla stessa parte del Sole, rispetto alla Terra, l'emisfero che rivolge verso di noi non viene colpito dai raggi solari, quindi risulta oscuro: abbiamo allora la fase di Luna nuova (o novilunio). Quando invece si trova in opposizione, la sua metà illuminata è quella rivolta verso di noi: di conseguenza si ha la fase di Luna piena.

Queste due posizioni vengono chiamate sizigie.

Altre due posizioni vengono chiamate quadrature e si verificano quando la Luna, la Terra e il Sole occupano i vertici di un triangolo rettangolo ideale, con la Terra situata dalla parte dell'angolo retto. In questi casi, vediamo un quarto della superficie lunare, cioè solo la parte rivolta verso di noi ed è per questo che queste fasi vengono chiamate primo quarto e ultimo quarto. Osservando la Luna durante il novilunio possiamo notare che la parte oscura del disco lunare è rischiarata da un debole chiarore grigiastro, da una luce cinerea. Non si tratta di luce che arriva alla Luna direttamente dal Sole ma sono i raggi solari che colpiscono la Terra ad essere riflessi verso la Luna la quale li rimanda, molto attenuati, verso di noi.

La Terra e la Luna sono considerati come corpi opachi di forma quasi sferica. Essi vengono illuminati solo sull'emisfero rivolto verso il Sole, mentre dalla parte opposta inviano nello spazio dei coni d'ombra la cui ampiezza non dipende solo dalle dimensioni della Terra, della Luna e del Sole, ma anche dalle distanze variabili alle quali i due corpi si trovano rispetto al Sole. Se nelle posizioni di sizigie il Sole, la Terra e la Luna si trovassero realmente sulla stessa linea retta durante ogni mese lunare nella fase di plenilunio il cono d'ombra della Terra oscurerebbe completamente il nostro satellite e si avrebbe perciò un'eclissi di Luna, mentre nella fase di novilunio l'ombra della Luna potrebbe oscurare una porzione della superficie terrestre impedendovi la vista del Sole, cioè provocando un'eclissi di Sole. Ma i piani dell'orbita lunare e dell'orbita terrestre non sono coincidenti, bensì inclinati l'uno rispetto all'altro di 5°; quindi l'allineamento tra i tre pianeti si può attuare solo lungo la linea dei nodi ossia lungo la linea di intersezione fra questi due piani. Perciò le eclissi si verificano soltanto quando, oltre ad essere in fase di plenilunio o novilunio, la Luna viene a trovarsi in uno dei nodi o nelle vicinanze; nel primo caso si hanno le eclissi totali, nel secondo le eclissi parziali.

La Luna non è però stata solo oggetto di accurati esperimenti scientifici, ma è stata considerata un modello di ispirazione all'interno dello scenario artistico e letterario.