I pianeti e gli altri componenti del Sistema solare

I pianeti e gli altri componenti del Sistema solare          

Keplero: come si muovono i pianeti; Newton: perché si muovono così

I pianeti visibili ad occhio nudo (Mercurio, Venere, Marte, Giove e Saturno) si distinguono dalle stelle perché cambiano sensibilmente e con regolare periodicità la loro posizione nella volta celeste rispetto agli altri corpi.

Il primo a riconoscere chiaramente che i pianeti ruotano intorno al Sole fu Copernico, che però attribuì loro delle orbite circolari; fu Keplero a stabilire che essi percorrono invece orbite a forma di ellisse, di cui il Sole occupa uno dei due fuochi.

Il movimento dei pianeti attorno al Sole è regolato dalle tre leggi di Keplero:

I pianeti descrivono orbite ellittiche, quasi complanari, aventi tutte un fuoco comune in cui si trova il Sole

il raggio che unisce il centro del Sole al centro di un pianeta descrive superfici con aree uguali in intervalli di tempo uguali (un pianeta si muove più velocemente quando è più vicino al Sole (al perielio) e più lentamente quando è più lontano (all'afelio));

i quadrati dei periodi di rivoluzione dei pianeti sono proporzionali ai cubi delle loro distanze medie dal Sole

Fu Newton a intuire l'esistenza di una forza di attrazione tra i corpi e a descriverne gli effetti attraverso la legge della gravitazione universale, in base alla quale la forza di attrazione tra due corpi è direttamente proporzionale alla loro massa e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza.

I pianeti

I pianeti del Sistema solare sono molto diversi tra loro come natura, come grandezza e come distanza dal Sole.

Si usa distinguere la <<famiglia dei pianeti piccoli>> o terrestri (Mercurio, Venere, Terra, Marte) e la <<famiglia dei pianeti giganti>> o gioviani o solari (Giove, Saturno, Urano e Nettuno). Plutone, di cui si conosce ben poco, non rientra in nessuna delle due distinzioni.

Le differenze più evidenti tra i due gruppi di pianeti sono le dimensioni e le densità (i pianeti terrrestri hanno una densità maggiore). Inoltre i pianeti terrestri hanno atmosfere tenui o ne sono privi, mentre quelli gioviani hanno atmosfere dense (formate in prevalenza di idrogeno ed elio). Infine, i pianeti terrestri hanno pochi o nessun satellite, mentre quelli gioviani ne hanno numerosi, oltre ad altre strutture particolari, come gli "anelli".

Da Mercurio a Marte: i pianeti di roccia

La struttura tipica di tutti i pianeti terrestri presenta un nucleo di materiali ad alta densità, avvolto da un mantello di materiali a minor densità, a sua volta ricoperto da una crosta di materiali ancor meno densi.

Mercurio. E' il pianeta più interno, poco più grande della Luna. Ruota attorno al Sole in 88 giorni, mentre compie una lenta rotazione sul proprio asse in circa 59 giorni, per cui ogni punto sulla sua superficie rimane illuminato per circa 88 giorni e per un ugual periodo è in ombra. La temperatura sul lato esposto al Sole sale a 425°C, mentre sul lato opposto scende fino a -175°C: è il pianeta con la più forte escursione termica tra il dì e la notte ed è praticamente privo di atmosfera.

L'aspetto della superficie, rivelato dalla sonda automatica Mariner 10, presenta crateri da impatto (dovuti alla caduta di meteoriti) di ogni dimensione, alcuni dei quali accompagnati da una specie di aureola di raggi chiari, e le pianure lisce.

L'interno del pianeta, invece, è probabilmente occupato da un nucleo di materiale ad alta densità, mentre l'involucro di materiali meno densi è molto ridotto di spessore (forse un violento impatto con un grosso meteorite ha strappato al pianeta parte del suo involucro esterno).

Venere. E' stato a lungo considerato il "gemello" della Terra, invece è avvolto da un'atmosfera formata per il 97% da CO_2, in superficie la pressione di questa densa atmosfera è 90 volte superiore a quella terrestre e la temperatura arriva a 460°C sia di giorno che di notte.

La parte più alta dell'atmosfera comprende una coltre opaca di nuvole, trascinate da forti venti con velocità di oltre 300 km/h e che seguono percorsi definiti (partendo dai due poli avvolgono l'intero pianeta i ampie spirali, saldandosi lungo la fascia equatoriale).

Per circa il 60% la superficie di Venere è debolmente ondulata, mentre ampi bacini depressi ne occupano un altro 16%. Il resto della superficie è più elevata rispetto alla pianura di un migliaio di metri; su tali altopiani si alzano catene montuose anche imponenti, come i Monti Maxwell, le cui vette toccano gli 11.000 metri.

Sono state individuate due enormi strutture alte 5.000 m a forma di cono, interpretate come grandi vulcani a scudo: dall'interno di Venere deve fluire perciò verso la superficie una notevole quantità di calore, sufficiente a far fondere localmente le rocce, trasformandole in magma e alimentando un notevole vulcanismo.

Terra. Ha un nucleo molto denso (ferro e nichel) che occupa la metà del raggio, avvolto da un mantello di rocce ricche di ferro e magnesio, a sua volta ricoperto da una sottile crosta di rocce molto eterogenee e meno dense di quelle sottostanti. Possiede un'atmosfera molto meno densa di quella venusiana, costituita da azoto e, in minor grado, da ossigeno, mentre altri gas (anidride carbonica, vapore acqueo) sono presenti solo in quantità minime.

La temperatura media in superficie è tale da consentire all'acqua di persistere ampiamente allo stato liquido: circa ¾ della superficie terrestre sono coperti dalle acque, che formano l'idrosfera. La crosta presenta una netta distinzione tra vastissimi bacini depressi (occupati dagli oceani) ed ampie zone rilevate (le aree continentali, in gran parte emerse).

Sono presenti numerosi vulcani attivi, risultato di una continua evoluzione dovuta a processi endogeni (interni al pianeta), dove esiste una notevole fonte di energia: l'interno della Terra è molto caldo, tanto che il nucleo è in parte fuso; a tale situazione e ai movimenti in atto all'interno del pianeta è legata la presenza del forte campo magnetico terrestre.

Marte. La durata del giorno su Marte è, casualmente, quasi la stessa del giorno sulla Terra; l'inclinazione dell'asse di rotazione è simile, per cui su Marte si ha un'alternanza di stagioni come quelle terrestri, solo che, a causa della maggior distanza dal Sole e della maggior durata di una rivoluzione (687 giorni terrestri) le stagioni sono più fresche e durano quasi il doppio.

La superficie di Marte è stata modellata da numerosi processi: bombardamento meteoritico, attività vulcanica, movimenti crostali, erosione, deposizione.

L'attività vulcanica è stata molto intensa su Marte ed è testimoniata anche da imponenti vulcani; il maggiore tra questi è il Mons Olympus, largo alla base 500 km e alto 27 km (è il più grande vulcano del Sistema solare). Lungo l'Equatore si stende invece un sistema di giganteschi canyon, le Valles Marineris.

Ma il vulcanismo è ormai estinto da tempo, e anche i movimenti della crosta sono cessati: dopo una vivace evoluzione, Marte si è arrestato, quando la sua energia interna non è stata più sufficiente a "far muovere" la crosta.

Marte ha un'atmosfera molto rarefatta (la pressione in superficie è 1/150 di quella terrestre), formata per il 95% da anidride carbonica, con piccole quantità di azoto, vapore acqueo e ossigeno. Le variazioni termiche indotte dall'energia solare provocano forti correnti aeree, che sollevano tempeste di polvere su tutto il pianeta.

Giove e Saturno: i pianeti giganti

Giove. Ha un volume pari a 1.316 volte quello della Terra ed è sensibilmente depresso ai poli per la sua elevata velocità di rotazione.

Al telescopio risulta solcato da bande rosse o scure, su fondo più chiaro, disposte parallelamente all'Equatore e interrotte qua e là da alcune macchie rosse o biancastre; una di queste, la Grande macchia rossa, è stata sempre presente da quando è stata osservata per la prima volta, più di tre secoli fa.

Il calore solare e quello che si libera all'interno di Giove innescano nell'atmosfera grandi movimenti convettivi, con formazione di nubi dovute alla condensazione dell'ammoniaca; ma su Giove l'elevata velocità di rotazione (all'Equatore 40.000 km/h) costringe le nubi a formare lunghe bande parallele all'Equatore. Le bande chiare (zone) sono quelle in cui i gas risalgono verso l'alto; le bande scure contigue (fasce) sono quelle verso cui i gas ridiscendono. La regolare disposizione delle bande colorate è interrotta da perturbazioni cicloniche che appaiono come macchie chiare o scure.

Giove è un pianeta gigantesco, la cui massa è pari al doppio di quella di tutti gli altri pianeti del Sistema solare messi insieme.

Le immagini e i dati inviati a Terra dai Voyager 1 e 2 hanno rivelato un pianeta estremamente complesso, la cui atmosfera (spessa circa 1.000 km) è agitata da continui moti turbolenti. L'involucro gassoso è formato per l'85% da idrogeno e per circa il 15% da elio, con piccole quantità di metano, ammoniaca, acqua e zolfo.

Saturno. E' posto ad una distanza dal Sole doppia rispetto a quella di Giove, e ha massa pari a 1/3 di quella dell'altro pianeta gigante. E' formato da un grosso involucro di gas che avvolge un nucleo di idrogeno liquido; ruota su se stesso con grande velocità (il che determina un sensibile schiacciamento polare) e la sua atmosfera ha una struttura abbastanza simile a quella di Giove, con un'alternanza di zone chiare e fasce scure disposte parallelamente all'Equatore. Si riconoscono aree con perturbazioni a carattere rotatorio e vortici; i venti spirano con velocità che all'Equatore raggiungono i 1.800 km/h , mentre diminuiscono di intensità per scomparire del tutto nelle zone polari.

La struttura più affascinante, sebbene non unica nel Sistema solare, sono gli anelli che circondano Saturno. Le immagini trasmesse dai Voyager 1 e 2 hanno rivelato che i quattro anelli ben noti, separati dalle divisioni scure, visti da vicino risultano formati da un migliaio di sottili anelli distinti, presenti anche nelle divisioni. Il materiale che forma gli anelli è costituito da frammenti di ghiaccio e polvere. L'origine del sistema degli anelli sembra dovuta all'enorme forza di gravità di Saturno: questa avrebbe disintegrato un satellite troppo vicino al pianeta (deformandolo), oppure avrebbe impedito a una parte della stessa materia da cui si è formato Saturno di coagularsi in un solo corpo.

Da Urano a Plutone: i pianeti di ghiaccio

Urano. Come Nettuno e Plutone, è chiamato <<pianeta di ghiaccio>> a causa delle sue temperature estremamente basse. Ha una caratteristica unica nel Sistema solare: il suo asse di rotazione giace quasi sul piano dell'orbita (invece di essere presso la verticale di tale piano, come gli altri pianeti); di conseguenza volge alternativamente verso il Sole i suoi poli, per cui, essendo la durata della rivoluzione di Urano di circa 84 anni, le sue zone polari passano ogni 40 anni circa da un lunghissimo <<giorno>> ad un'altrettanto lunga notte.

Il pianeta è avvolto da un'atmosfera di idrogeno, elio e metano ed è freddissimo: la temperatura scende da -208°C, al polo che punta verso il Sole, fino a -215°C, all'Equatore.

Nelle zone vicine all'Equatore si sono osservati sistemi di nubi in veloce movimento intorno al pianeta, trascinate da forti venti; dal tempo che esse impiegano a effettuare un giro completo è stato possibile risalire al periodo di rotazione del pianeta, che è di circa 17 ore.

La struttura interna del pianeta è formata da un nucleo centrale roccioso, avvolto da un oceano formato dagli stessi costituenti dell'atmosfera, ma allo stato liquido, e dall'atmosfera vera e propria. Intorno ad Urano ruotano numerosi corpi: un sistema di 10 sottili anelli e almeno 17 satelliti.

Nettuno. La sua esistenza fu scoperta solo grazie a calcoli eseguiti a tavolino, arrivando alla conclusione che certe perturbazioni nel moto di Urano erano necessariamente dovute a un pianeta sconosciuto.

E' molto lontano (distanza media dal Sole: 4.504 milioni di km), ruota su se stesso in circa 16 ore e una sua rivoluzione attorno al Sole dura 164,8 anni. La temperatura varia da circa -232°C a -211°C. Un profondo oceano di gas liquidi (soprattutto metano) è coperto da un'atmosfera verde-azzurra (idrogeno, metano), sede di complessi moti circolari. Vi si distingue infatti una struttura a bande e fasce parallele all'Equatore simile a quella di Giove e Saturno, interrotta da alcune macchie più scure, che corrispondono a strutture cicloniche profonde, ampie fino a 10.000 km, e da formazioni nuvolose chiare, estese lungo i paralleli ad alta quota. A causa della sua grandissima distanza dal Sole, la forte attività dell'atmosfera di Nettuno non può essere dovuta all'energia solare, ma è di origine interna (legata al calore liberato da un nucleo interno ancora in parte liquido).

Intorno a Nettuno ruotano 3 anelli e almeno 8 satelliti, il maggiore dei quali, Tritone, è stato sorvolato da vicino dal Voyager 2: ha una temperatura di -225°C ed è uno dei mondi più freddi finora scoperti nel Sistema solare.

Plutone. Plutone fu scoperto nel 1930 grazie ad alcune lastre fotografiche. Percorre in circa 248 anni un'orbita molto più eccentrica di quella degli altri pianeti, tanto che il perielio si trova all'interno dell'orbita di Nettuno (anche se le due orbite non si intersecano).

E' un corpo più piccolo della Luna, con una temperatura superficiale di -236°C, quanto basta per far solidificare i gas pesanti (metano, ammoniaca). Il pianeta è quindi privo di atmosfera e per la sua densità è una grossa sfera di polvere e gas congelati.

I corpi minori: asteroidi, meteoroidi e comete

Intorno al Sole ruotano innumerevoli altri corpi, con dimensioni dal cm ad alcune decine di km, su orbite prossime a quelle dei pianeti o a distanze di oltre 1,5 a.l. Si possono suddividere, per l'aspetto con cui ci si rivelano, in tre gruppi, comunque strettamente collegati tra loro per l'origine e l'evoluzione:

asteroidi (corpi formati dallo stesso materiale da cui si è formato il Sistema solare);

meteoroidi (corpi la cui orbita interseca quella terrestre, per cui vengono attratti e cadono sul nostro pianeta, consumandosi nell'atmosfera - meteore o stelle cadenti - o arrivando fino al suolo - meteoriti);

comete (corpi di polveri e ghiacci che stazionano a grandissime distanze dal Sole ma che possono immettersi su orbite lunghissime, fino a giungere in vicinanza del Sole, perdendo nello spazio lunghe scie di materiali finissimi - <<code>>).

Gli asteroidi. Gli asteroidi (o pianetini o planetoidi) finora catalogati sono circa 20.000, ma il loro numero totale è almeno il doppio; sono localizzati in gran parte tra le orbite di Marte e di Giove, dove formano la fascia degli asteroidi, larga circa 2 U.A. Alcuni gruppi inoltre hanno orbite che si avvicinano a quelle della Terra o addirittura la intersecano. Hanno dimensioni medie di decine di km, ma alcuni arrivano a centinaia di km (il più grande, Cerere, raggiunge i 935 km); la loro superficie è segnata da numerosi crateri da impatto. Oltre ai corpi che ruotano nella fascia degli asteroidi, vi sono un migliaio di pianetini che ruotano nell'orbita di Giove: sono i Troiani, divisi in due gruppi: uno che precede (i veri Troiani) e l'altro che segue (i Greci) il grande pianeta di 60°.

L'origine degli asteroidi è probabilmente "planetesimale", cioè dovuta a graduale aggregazione di corpi minori (così come sarebbe avvenuto nella formazione dei pianeti); tale aggregazione sarebbe stata interrotta da qualche meccanismo legato a perturbazioni gravitazionali provocate dalla vicina enorme massa di Giove.

I meteoroidi. Con "meteoroidi" si indicano gli innumerevoli frammenti di materiale extraterrestre sparsi nel Sistema solare in orbita attorno al Sole, troppo piccoli per essere chiamati asteroidi o comete. Quando un meteoroide si avvicina all'orbita della Terra, può essere attratto dal nostro pianeta e attraversare l'atmosfera: l'attrito lo rende incandescente e lo fa evaporare e il fenomeno dà origine a una scia luminosa che viene chiamata meteora (o anche <<stella cadente>>); se il corpo è abbastanza grande da non venire tutto consumato dall'attrito, il materiale che raggiunge la superficie costituisce una meteorite.

Meteore isolate si osservano tutto l'anno, mentre a intervalli precisi compaiono sciami di meteore. Essi si formano quando la Terra attraversa il pulviscolo disseminato da una cometa lungo la sua orbita.

Le meteoriti maggiori raggiungono la superficie con impatti violentissimi; a volte esplodono rompendosi in numerosi frammenti o vaporizzandosi completamente. Nell'urto producono

nel suolo una cavità semisferica, detta cratere da impatto, che può arrivare a vari km di diametro (es. Meteor Crater, Arizona, diametro 1.200 m).

In base alla composizione mineralogica, le meteoriti si dividono in tre gruppi:

lititi, simili a rocce; ad esse appartengono le condriti, contenenti sferette di aspetto vetroso, chiamate condrule, derivate dal rapido raffreddamento di gocce fuse della "polvere" da cui è nato il Sistema solare;

sideriti, metalliche; esse sono probabilmente frammenti del nucleo metallico di piccoli asteroidi completamente frantumati da qualche collisione;

sideroliti, miscuglio di materiale roccioso e metallico.

Le comete. Sono formate da gas e vapori congelati (acqua, metano, ammoniaca, anidride carbonica), misti a piccoli frammenti di rocce e metalli. Si muovono lungo orbite molto allungate, molte delle quali arrivano ben oltre Plutone.

Quando si avvicinano al Sole, le radiazioni fanno sublimare i gas congelati; attorno ad un nucleo si forma un alone rarefatto e luminoso, la chioma, le cui dimensioni sono spesso prossime a quelle di Giove. Successivamente in quasi tutte le comete si sviluppa la coda, provocata dal pulviscolo spinto dalla luce solare in direzione radiale. Ad ogni passaggio intorno al Sole, dunque, una cometa perde una parte di massa e col tempo diviene meno luminosa, fino ad estinguersi dopo un certo numero di passaggi intorno al Sole. Lungo la loro orbita le comete lasciano una larga fascia di pulviscolo, che, se viene attraversato da un pianeta con atmosfera, dà origine, come abbiamo visto, agli sciami di meteore.

Le comete a lungo periodo, con tempi di percorrenza dell'orbita di oltre 200 anni, sono distribuite nello spazio a formare una specie di alone sferico intorno al Sole e ai pianeti, la nube di Oort; le comete a breve periodo (meno di 200 anni) provengono invece dalla parte più interna della nube, nota come fascia di Kuiper.

Si ritiene che queste migliaia di miliardi di nuclei ghiacciati si siano formati nella regione dei pianeti giganti, tra Giove e Nettuno (dove dominano i ghiacci), che li avrebbero scagliati verso la periferia del Sistema solare (con un meccanismo di fionda planetaria), facendoli accumulare nella nube di Oort.