Una Panoramica del Sistema Solare

Una Panoramica del
Sistema Solare
Lezione 5
Sommario
Pianeti: orbite e proprietà
I pianeti Terrestri
I pianeti Gioviani
I pianeti nani della “Kuiper Belt”
I detriti spaziali (Comete, Asteroidi, Meteoroidi)
AA 2006/2007
Astronomia ! Lezione 5
2
I Pianeti del Sistema Solare
Mercurio
0.387 UA
Sole
Pianeti Terrestri
4 pianeti interni piccoli
e rocciosi
Marte
Venere
Terra
0.723 UA
1.000 UA
1.524 UA
Distanze dal Sole
Sole
Giove
Saturno
5.203 UA
9.554 UA
Urano
Nettuno
19.194 UA 30.066 UA
Plutone
39.537 UA
AA 2006/2007
Astronomia ! Lezione 5
Pianeti Gioviani
4 pianeti esterni giganti
gassosi/liquidi
(e Plutone ?)
3
Le orbite dei pianeti
Vista del sistema
solare da sopra
Vista laterale del
sistema solare
AA 2006/2007
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.
Astronomia ! Lezione 5
4
Dati fisici dei pianeti
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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Astronomia ! Lezione 5
5
Pianeti Terrestri
Relativamente densi:
Massa ! 1 M!;
Raggio ! 1 R!.
Superficie rocciosa.
Composti di Fe, O,
Si, Mg, Ni, S.
Mercurio
Terra
Struttura interna
simile con nucleo e
mantello.
Venere
(immagine radar)
Marte
Ruotano lentamente.
Poche lune e nessun
anello.
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Luna
La superficie di Venere
non può essere osservata
direttamente da Terra a
causa della sua copertura
nuvolosa.
Astronomia ! Lezione 5
Venere
(visibile)
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La Terra
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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7
Il campo magnetico terrestre
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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Astronomia ! Lezione 5
8
Le Aurore
Aurora Borealis (Emisfero Nord)
Aurora Australis (Emisfero Sud)
Vista dallo Space Shuttle
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
L’atmosfera primordiale era
composta di H, He e metano.
Composizione dell’atmosfera terrestre
Gas
% in peso
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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10
La Luna
La densità media (3340 kg m-3) è
simile a quella del mantello della
Terra.
L’interno è freddo con scarsa
attività geologica.
Mari
La superficie è caratterizzata da:
Altopiani con molti crateri
Mari (bassopiani) formati da
colate laviche.
Non ha atmosfera.
Crateri
Altopiani
lunari
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
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.
Corpo
esterno
4.2 min dopo l’impatto
L’impatto accelerò la
rotazione della Terra e ne
inclinò l’asse di 23°.
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La Terra si riformò
come corpo in gran
parte fuso ...
8.4 min
... e la Luna si formò
per aggregazione
dei detriti.
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125 min
Le rocce lunari antiche riportate dagli
astronauti dell’Apollo supportano
l’ipotesi del grande impatto
12
Mercurio
"
"
"
"
"
"
"
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
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 ...).
Con l’impatto il
meteorite è deformato,
riscaldato e volatilizzato.
L’esplosione
risultante crea un
cratere circolare.
Mercurio
La Luna
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Un meteorite si
avvicina alla superficie
lunare ad alta velocità.
Astronomia ! Lezione 5
L’assestamento crea
terrazze ed il
rimbalzo può creare il
picco centrale.
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I crateri da impatto sulla Terra
Meteor Crater, Arizona,
USA
Diametro 1.2 km,
impatto 30000 anni fa
Chixulub. Mexico
Diametro 170 km, impatto
65 milioni di anni fa
Manicouagan Impact Crater, Canada
Diametro 70 km, impatto 200 milioni di anni fa
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Al momento sono noti circa 170
crateri da impatto sulla Terra,
27 hanno un diametro > 25 km!
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Venere
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
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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Luce del sole (visibile)
Atmosfera
del pianeta
Astronomia ! Lezione 5
Radiazione
infrarossa
Rivoluzione
industriale
Anno
17
Marte
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 K
Attività vulcanica (ma nessuna placca tettonica).
Evidenze geologiche di erosione da acqua.
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Astronomia ! Lezione 5
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I Pianeti Gioviani
Sono oltre la fascia degli
asteroidi.
Bassa densità ma grande
massa.
Composti principalmente di
H ed He.
Giove
Grande Macchia Rossa
Saturno
Ruotano rapidamente (< 1 d)
Hanno molte lune.
Tutti hanno anelli.
Nettuno
Urano
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I 4 pianeti gioviani
contengono da soli il 99.5%
di tutta la massa planetaria.
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Giove
Grande Macchia Rossa
Ombra di una luna
La Grande Macchia
Rossa è una
gigantesca
tempesta.
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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).
Astronomia ! Lezione 5
20
Le Lune di Giove
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.
Dimensioni e densità simili alla Luna
Roccioso, attività
vulcanica estrema
Roccioso, H2O liquida,
crosta ghiacciata
Dimensioni della Luna
Io
Più grandi ma meno dense
Europa
Nucleo di ferro (?),
interno roccioso e
con H2O ghiacciata,
crosta di ghiaccio
Interno roccioso e
con H2O ghiacciata,
H2O liquida (?),
crosta di ghiaccio
Ganimede
Callisto
Verso Giove
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Astronomia ! Lezione 5
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Saturno
Il secondo pianeta più
grande con 1/3 della
massa di Giove.
Simile a Giove in
composizione e
struttura.
Zone
(colori chiari)
Densità
media:
670 kg m-3
"galleggia!
Fasce
(colori
scuri)
Periodo di rotazione
Ombra di Mimas
10 h (grosso
(una luna di Saturno)
schiacciamento
polare).
Temperatura ~90 K (cima delle nubi).
Irraggia almeno il doppio dell’energia che riceve dal Sole.
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Astronomia ! Lezione 5
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Gli anelli di Saturno
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).
Vista ravvicinata dalla sonda Cassini
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Astronomia ! Lezione 5
23
Nuove immagini dalla sonda
Cassini (Febbraio 2007)
Nuove immagini dalla sonda Cassini (Febbraio 2007):
lo spessore degli anelli.
Urano, il gigante di ghiaccio
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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Astronomia ! Lezione 5
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Nettuno
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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Zone
(blu chiaro)
Polo Sud
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Fasce
(blu scuro)
Nubi di alta
quota
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Plutone e Caronte
Plutone è stato scoperto nel
Immagine di HST
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
Declassato a “Pianeta Nano” nel 2006.
dell’orbita.
Adesso è solo uno dei tanti
La temperatura superficiale è di planetesimi che occupano la Fascia di
Kuiper oltre Nettuno.
~40 K.
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Astronomia ! Lezione 5
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I pianeti della Kuiper Belt
Nella fascia di Kuiper (Kuiper belt)
ed oltre sono stati recentemente
scoperti diversi corpi delle
dimensioni di Plutone.
Eris
Dysnomia
Sole
Orbita di Plutone
Oggetti della
“Kuiper Belt”
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).
Creazione artistica NASA/JPL-Caltech
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Astronomia ! Lezione 5
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“Detriti” spaziali
Molti piccoli corpi orbitano attorno al Sole,
detriti rimasti dalla formazione del sistema
solare.
Meteoroidi
particelle di polvere interplanetario
o di comete (~1 "m)
detriti dalla collisioni tra asteroidi
(~0.1-100 m)
Asteroidi
frammenti di roccia
(diametro 1-1000 km)
Comete
nuclei 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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Astronomia ! Lezione 5
30
Asteroidi
La maggior parte orbita il Sole
tra 2 e 4 UA (La Fascia degli
Asteroidi).
Molti asteroidi orbitano attorno
al Sole in una fascia larga 1.5 UA
tra le orbite di Marte e Giove.
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
Coda
di Ioni
Coda di
polvere
Orbita della Cometa
I nuclei consistono di fragile
roccia porosa che contiene
un miscuglio di ghiacci (H2O,
CO2, NH4) e polvere.
Sole
Nucleo
Perielio
Coma
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).
AA 2006/2007
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
Meteoroide (piccolo corpo in orbita).
Piano dell’orbita del meteoroide
Col tempo i
frammenti della
cometa si
distribuiscono
lungo l’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).
Sole
Piano
dell’orbita
terrestre
Terra
Solo i meteoroidi rocciosi o metallici
formano crateri da impatto.
La Terra acquista
~40,000 tonnellate/anno dai meteoriti.
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Astronomia ! Lezione 5
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Conclusioni
Orbite
Quasi tutti i pianeti orbitano quasi nello stesso piano
Tutte 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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Astronomia ! Lezione 5
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World Wide Web
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
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Astronomia ! Lezione 5
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