Lezione 5 Una Panoramica del Sistema Solare
Lezione 5
Una Panoramica del Sistema Solare
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Sommario
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Pianeti: orbite e proprietà
I pianeti Terrestri
I pianeti Gioviani
I pianeti nani della “Kuiper Belt”
I detriti spaziali (Comete, Asteroidi, Meteoroidi)
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I Pianeti del Sistema Solare
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Pianeti Gioviani4 pianeti esterni giganti
gassosi/liquidi(e Plutone ?)
Mercurio0.387 UA Venere
0.723 UATerra
1.000 UA
Marte1.524 UA
Distanze dal Sole
Plutone39.537 UA
Nettuno30.066 UA
Urano19.194 UA
Saturno9.554 UA
Giove5.203 UA
Sole
Sole
Pianeti Terrestri4 pianeti interni piccoli
e rocciosi
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Le orbite dei pianeti
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Vista del sistema solare da sopra
Vista laterale del sistema solare
I pianeti orbitano attorno al Sole ruotando nello stesso verso.Le orbite sono quasi complanari.Le orbite sono quasi circolari.Eccezioni:
Plutone e Mercurio hanno orbite moderatamente ellittiche.Il piano dell’orbita di Plutone è inclinato rispetto all’eclittica.
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Dati fisici dei pianeti
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Pianeta Massa(M⊕)
Diametro (D⊕)
Densità (kg m-3)
Mercurio 0.055 0.382 5430
Venere 0.815 0.949 5243
Terra 1.000 1.000 5515
Marte 0.107 0.533 3934
Giove 317.9 11.19 1326
Saturno 95.18 9.46 687
Urano 14.54 4.01 1318
Nettuno 17.13 3.81 1715
Plutone 0.002 0.182 2000
Densità dell’acqua: 1000 kg m-3
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Pianeti Terrestri
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Venere
(immagine radar)
Venere(visibile)
Marte
Terra
Luna
Mercurio
Relativamente densi:Massa ≤ 1 M⊕♁;Raggio ≤ 1 R⊕♁.
Superficie rocciosa.Composti di Fe, O, Si, Mg, Ni, S.
Struttura interna simile con nucleo e mantello.
Ruotano lentamente.Poche lune e nessun anello.
La superficie di Venere non può essere osservata direttamente da Terra a causa della sua copertura nuvolosa.
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La Terra
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Il più grande ed il più massiccio dei pianeti terrestri.
Geologicamente attivo (deriva dei continenti, vulcanismo, terremoti, ecc.)
Atmosfera relativamente densa.
Acqua presente simultaneamente nelle sue 3 fasi (Ghiaccio, Liquido, Vapore).Possiede un campo magnetico.Temperatura superficiale 220-320 K.
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Il campo magnetico terrestre
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Prodotto da un “effetto dinamo”.La rotazione e la convezione producono correnti elettriche nel nucleo liquido di ferro/nickel.Le correnti elettriche producono campo magnetico.
Il campo magnetico deflette il vento solare composto di particelle di alta energia. Queste rimangono intrappolate nelle “fasce di radiazione” (Fasce di Van Allen).
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Le Aurore
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Vista dallo Space ShuttleAurora Borealis (Emisfero Nord)Aurora Australis (Emisfero Sud)
Le Aurore sono provocate dalle particelle cariche e molto energetiche intrappolate nelle fasce di radiazione.Le collisioni con atomi e molecole nell’atmosfera terrestre eccitano, ionizzano e dissociano atomi e molecole.Gli atomi e le molecole ionizzati ed eccitati emettono luce dando luogo alle Aurore.
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L’atmosfera terrestre
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Composizione dell’atmosfera terrestre
% in pesoGas
L’atmosfera primordiale era composta di H, He e metano.
La composizione si è modificata notevolmente da allora per:
➡ produzione di gas (rilasciati da attività vulcanica ecc. come CO2, N2, H2O);
➡ bombardamento di meteoriti ghiacciati e comete (H20);➡ gran parte della CO2 si è sciolta negli oceani;➡ lo sviluppo della vita produce O (fotosintesi, CO2
assorbita e convertita a O2).
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La Luna
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Altopiani lunari
Crateri
MariLa densità media (3340 kg m-3) è simile a quella del mantello della Terra.L’interno è freddo con scarsa attività geologica.
La superficie è caratterizzata da:Altopiani con molti crateriMari (bassopiani) formati da colate laviche.
Non ha atmosfera.
Rotazione sincrona (Periodo rotazione = periodo siderale orbitale).Mostra sempre la stessa faccia alla Terra (succede anche in molte altre lune).
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La formazione della Luna
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Attualmente è favorita la Teoria del Grande Impatto.
Durante gli ultimi stadi di crescita della Terra (~4.5 miliardi di anni fà) un corpo delle dimensioni di Marte colpì la Terra ...
... e l’impatto gigantesco proiettò nello spazio una pioggia di detriti provenienti sia dalla Terra che dal corpo esterno.
L’impatto accelerò la rotazione della Terra e ne inclinò l’asse di 23°.
La Terra si riformò come corpo in gran parte fuso ...
Le rocce lunari antiche riportate dagli astronauti dell’Apollo supportano l’ipotesi del grande impatto
8.4 min
Corpo esterno
4.2 min dopo l’impatto
... e la Luna si formò per aggregazione dei detriti.
125 min
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Mercurio
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✦ Piccole dimensioni e piccola massa, alta densità (grande nucleo metallico, 5% del raggio).
✦ No atmosfera.✦ Temperatura superficiale:
600 K (“giorno”)100 K (“notte”)
✦ Debole campo magnetico✦ Geologicamente quiescente.✦ Superficie molto craterizzata.✦ Periodo rotazione = 2/3 periodo
siderale (questo accoppiamento rotazione-orbita è unico nel sistema solare).
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I Crateri
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La Luna
Mercurio
I crateri da impatto sono comuni in tutto il sistema solare (Mercurio, Luna, Marte, asteroidi, ecc.).
Sono causati dall’impatto con meteoriti e sono abbastanza rari sulla Terra (atmosfera ...).
Assenti sui pianeti Gioviani (gassosi ...).
Un meteorite si avvicina alla superficie lunare ad alta velocità.
Con l’impatto il meteorite è deformato, riscaldato e volatilizzato.
L’esplosione risultante crea un cratere circolare.
L’assestamento crea terrazze ed il rimbalzo può creare il picco centrale.
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I crateri da impatto sulla Terra
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Manicouagan Impact Crater, CanadaDiametro 70 km, impatto 200 milioni di anni fa
Chixulub. MexicoDiametro 170 km, impatto 65 milioni di anni fa
Al momento sono noti circa 170 crateri da impatto sulla Terra,27 hanno un diametro > 25 km!
Meteor Crater, Arizona, USADiametro 1.2 km, impatto 30000 anni fa
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Venere
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Simile alla Terra in massa, raggio e densità (e struttura interna).Atmosfera densa:
96% CO2
Nuvole spesse di vapor d’acqua e acido solforico.
Temperatura superficiale di circa 740 K (effetto serra).
La rotazione è lenta e retrograda:Periodo di rotazione 243 d;Periodo orbitale 224.6 d.
Nessun campo magnetico (problema per la teoria della “dinamo”)
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L’effetto serra
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Luce del sole (visibile)
Atmosfera del pianeta
Radiazione infrarossa
Anno
Rivoluzione industriale
La superficie del pianeta è riscaldata dalla radiazione solare (principalmente visibile).Il calore è re-irradiato dalla superficie sotto forma di radiazione infrarossa.CO2 e altri gas nell’atmosfera assorbono l’infrarosso facendo aumentare la temperatura.L’alta concentrazione di CO2 nell’atmosfera di Venere causa un fortissimo effetto serra.L’effetto serra sulla Terra è poco (per ora ...).
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Marte
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1/2 del raggio terrestre; 1/10 della massa:
densità relativamente bassa;nucleo meno denso e più piccolo.
Il periodo di rotazione e l’inclinazione dell’asse sono simili a quelli della Terra (stagioni → la calotta ghiacciata polare cresce e si restringe).Campo magnetico estremamente debole (dovrebbe essere più forte secondo la teoria della dinamo).Atmosfera rarefatta (95% CO2).Temperatura superficiale 130 K → 290 KAttività vulcanica (ma nessuna placca tettonica).Evidenze geologiche di erosione da acqua.
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I Pianeti Gioviani
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Grande Macchia Rossa
Urano
Nettuno
Giove
Saturno
Sono oltre la fascia degli asteroidi.
Bassa densità ma grande massa.Composti principalmente di H ed He.
Ruotano rapidamente (< 1 d)Hanno molte lune.Tutti hanno anelli.
I 4 pianeti gioviani contengono da soli il 99.5% di tutta la massa planetaria.
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Giove
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Ombra di una luna
Grande Macchia Rossa
La Grande Macchia Rossa è una gigantesca tempesta.
Il pianeta più grande e più massiccio (densità 1.34 g/cm3).Composto principalmente di H (78%) ed He (19%) in fase gassosa e liquida (interno).Temperatura ~150 K (in cima alle nubi).Ruota rapidamente con periodo ~10 h (questo causa uno schiacciamento polare).Le bande sono zone di alta/bassa pressione che emergono/affondano nell’atmosfera.Forte campo magnetico (magnetosfera e aurore).
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Le Lune di Giove
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Io Europa Ganimede CallistoVerso Giove
Dimensioni e densità simili alla Luna Più grandi ma meno dense
Roccioso, attività vulcanica estrema
Roccioso, H2O liquida, crosta ghiacciata
Interno roccioso e con H2O ghiacciata,
H2O liquida (?), crosta di ghiaccio
Nucleo di ferro (?), interno roccioso e
con H2O ghiacciata, crosta di ghiaccioDimensioni della Luna
Giove ha almeno 61 satelliti naturali (al settembre 2004)In gran parte sono asteroidi catturati.Le 4 grandi lune Galileiane sono primordiali e la loro struttura sembra essere legata al raggio della loro orbita.
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Saturno
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Densità media: 670 kg m-3
➙galleggia!
Zone(colori chiari)
Ombra di Mimas(una luna di Saturno)
Fasce(colori scuri)
Il secondo pianeta più grande con 1/3 della massa di Giove.
Simile a Giove in composizione e struttura.
Periodo di rotazione 10 h (grosso schiacciamento polare).Temperatura ~90 K (cima delle nubi).Irraggia almeno il doppio dell’energia che riceve dal Sole.
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Gli anelli di Saturno
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Vista ravvicinata dalla sonda Cassini
Esistono 3 anelli principali che si estendono per 140,000 km dal centro del pianeta e sono spessi solo 10 m!Sono composti di particelle di ghiaccio (H2O) e sono i detriti risultanti dalla collisione tra comete e le lune di Saturno.Seguono le leggi di Keplero!La loro struttura è determinata dall’influenza gravitazionale delle lune di Saturno (Satelliti Pastori).
Nuove immagini dalla sonda Cassini (Febbraio 2007)
Nuove immagini dalla sonda Cassini (Febbraio 2007): lo spessore degli anelli.
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Urano, il gigante di ghiaccio
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1/3 del diametro ma solo 5% della massa di Giove.
La struttura interna è poco conosciuta: nucleo di elementi pesanti (?) e mantello di ghiaccio.
L’atmosfera è ricca di H, He, CH4
Il colore blu è dovuto all’assorbimento di luce rossa da parte del metano nell’atmosfera.
Temperatura ~50 K (cima delle nubi).
Possiede 5 grandi lune di roccia e/o ghiaccio.
L’asse di rotazione è inclinato di 98° con piano dell’orbita.
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Nettuno
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Zone(blu chiaro)
Fasce(blu scuro)
Polo Sud Nubi di alta quota
Simile in dimensioni, densità e colore ad Urano (➩ struttura e composizione simili).La sua esistenza e la sua posizione erano state predette applicando le leggi di Newton all’orbita di Urano (Adams e Leverrier 1845-46).Le due lune più grandi hanno moti peculiari (per incontro con planetesimi giganti?):
Tritone ha un moto retrogrado (in senso orario)Nereide ha un’orbita fortemente ellittica).
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Plutone e Caronte
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Immagine di HSTPlutone è stato scoperto nel 1930. Il satellite Caronte nel 1978 e due lune minori nel 2005 con HST.
Il suo diametro è solo 2/3 di quello della Luna e la massa è < 20% di quella della Luna.
Orbita fortemente ellittica (talvolta è più vicino al Sole di Nettuno) inclinata di 17° rispetto al piano dell’eclittica.
L’asse di rotazione è inclinato di ~120° rispetto al piano dell’orbita.
La temperatura superficiale è di ~40 K.
Declassato a “Pianeta Nano” nel 2006.
Adesso è solo uno dei tanti planetesimi che occupano la Fascia di Kuiper oltre Nettuno.
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I pianeti della Kuiper Belt
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Orbita di Plutone
Oggetti della “Kuiper Belt”
Eris
Sole
Dysnomia
Creazione artistica NASA/JPL-Caltech
Nella fascia di Kuiper (Kuiper belt) ed oltre sono stati recentemente scoperti diversi corpi delle dimensioni di Plutone.
Il più recente è Eris (Luglio 2005) con un semiasse dell’orbita di 97 UA ed un diametro del 25% più grande di Plutone. Ha un satellite.Sono stati trovati anche diversi oggetti leggermente più piccoli che sono stati riclassificati come “pianeti nani” (2006).
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“Detriti” spaziali
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Molti piccoli corpi orbitano attorno al Sole, detriti rimasti dalla formazione del sistema solare.Meteoroidi
particelle di polvere interplanetario o di comete (~1 μm) detriti dalla collisioni tra asteroidi (~0.1-100 m)
Asteroidiframmenti di roccia (diametro 1-1000 km)
Cometenuclei di ghiaccio (diametro ~10-100 km)le code, che si formano per la loro vaporizzazione da parte del Sole, sono lunghe fino a ~106 km.
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Asteroidi
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Molti asteroidi orbitano attorno al Sole in una fascia larga 1.5 UA tra le orbite di Marte e Giove.
La maggior parte orbita il Sole tra 2 e 4 UA (La Fascia degli Asteroidi).
L’asteroide più grande noto è Cerere (diametro ~900 km). La maggioranza sono molto più piccoli.
Gli asteroidi Troiani orbitano con Giove nei punti Lagrangiani (zone stabili).
Gli asteroidi Apollo-Amor hanno orbite altamente ellittiche che attraversano il sistema solare interno (rischio collisioni con la Terra).Sono resti di planetesimi confinati dalla gravità di Giove
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Comete
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Orbita della Cometa
Sole
Perielio
Nucleo
Coma
Coda di Ioni
Coda di polvere
I nuclei consistono di fragile roccia porosa che contiene un miscuglio di ghiacci (H2O, CO2, NH4) e polvere.
Il nucleo vaporizza vicino al Perielio.
Le comete hanno orbite fortemente ellittiche.Le comete a lungo periodo (> 200 yr) si pensa che abbiano origine nella nube di Oort (104-105 UA).Quello a periodo corto dalla Kuiper Belt (30-100 UA).
Hanno due “code”:coda di ioni (gas ionizzato portato via dal vento solare).coda di polveri (portata via dalla pressione di radiazione del sole).
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Meteoroidi, Meteore e Meteoriti
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Meteoroide (piccolo corpo in orbita).
Meteora (corpo che si vaporizza nell’atmosfera terrestre).
Meteorite (resto dopo la collisione con la Terra).
Le piogge di meteore si hanno quando la Terra attraversa sciami di detriti cometari (non lasciano meteoriti).
Solo i meteoroidi rocciosi o metallici formano crateri da impatto.La Terra acquista ~40,000 tonnellate/anno dai meteoriti.
Col tempo i frammenti della cometa si distribuiscono lungo l’orbita.
Terra
Sole
Piano dell’orbita terrestre
Piano dell’orbita del meteoroide
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Conclusioni
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OrbiteQuasi tutti i pianeti orbitano quasi nello stesso pianoTutte le orbite sono in senso antiorario.Quasi tutto ruotano attorno al proprio asse nello stesso senso.
Esistono 2 (3?) tipi di pianeti:Terrestri (i 4 interni; piccoli, molto densi)Gioviani (i 4 esterni; giganti, bassa densità)Plutone ora è solo uno dei tanti corpi della Kuiper Belt denominati “pianeti nani”.
Ci sono molti corpi piccoli in orbita attorno al Sole.Comete, Asteroidi, Meteoroidi.
L’età del Sistema Solare è ~4.6×109 anni (datazione per radioattività delle rocce più antiche note).
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World Wide Web
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NASA (missioni, scienza, immagini):
http://solarsystem.nasa.gov/index.cfm
http://saturn.jpl.nasa.gov/home/index.cfm
Sito sui nove otto pianeti del Sistema Solare
http://www.nineplanets.org/
“Pianeti nani” nella Kuiper belt
http://www.gps.caltech.edu/~Embrown/
Origine della Luna
http://www.psi.edu/projects/moon/moon.html