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Analisi dei NEA – Parte I

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I Near Earth Object (Near Earth Object) sono corpi rocciosi (asteroidi e comete) costituiti dai detriti rimasti dalla formazione del Sistema Solare che orbitano intorno al Sole: il loro principale interesse scientifico riguarda la composizione in quanto ci rivelano la chimica di 4,6 miliardi di anni fa. Essendo le loro orbite molto caotiche, anche una piccola perturbazione gravitazionale come un passaggio ravvicinato con un altro oggetto celeste è in grado, sul lungo periodo, di cambiare la loro traiettoria fino ad intersecare l’orbita terrestre.

Dal punto di vista della meccanica celeste il CNEOS (Centre for Orbital Study) definisce NEO asteroidi e comete con q < 1.3 AU

I NEA (Near Earth Asteroid), oggetto del presente articolo, sono una particolare sottoclasse dei NEO a cui appartengono solo asteroidi. La pericolosità dei NEA inoltre è motivo di interesse non trascurabile anche se asteroidi con diametri piccoli hanno una grossa probabilità di bruciare durante l’ingresso in atmosfera terrestre: un eventuale collisione con un oggetto di 1 Km di diametro, per esempio, può provocare danni ingenti ad un’intera area metropolitana. Per prevenire  situazioni del genere ci sono programmi ESA e NASA che osservano il cielo alla scoperta di nuovi oggetti (si pensa che ce ne siano ancora migliaia da scoprire) per migliorare le conoscenze sulle loro orbite e individuarne la pericolosità.

Il  CNEOS classifica i NEA nelle seguenti quattro classi:

  • Amor: questi asteroidi hanno un’orbita completamente esterna a quella terrestre ma un perielio inferiore a 1.3 AU. Sono così chiamati dal loro capostipite familiare, ovvero 1221 Amor, scoperto da Eugene Delporte in 1932.
  • Apollo: questi asteroidi hanno un semiasse maggiore più grande di quello terrestre. Sono così chiamati dal loro capostipite familiare, ovvero 1862 Apollo. L’oggetto più grande è 1866 Sisyphus con un diametro di 848 km. Il meteorite che si disintegrò sopra i cieli di Chelyabinsk apparteneva a questa famiglia. Alcuni di questi oggetti sono classificati come pericolosi.
  • Aten: questi asteroidi hanno un semiasse maggiore più piccolo di quello terrestre. Sono così chiamati dal loro capostipite familiare 2062 Aten, un oggetto con un diametro di 1,1 Km scoperto nel 1976. Alcuni di questi oggetti sono classificati come pericolosi: il più grande ad oggi è 3554 Amun con un diametro di 3,3 Km.
  • Atira: questi asteroidi hanno un’orbita interamente contenuta entro l’orbita terrestre. È il gruppo meno numeroso con apena 32 oggetti. Sono così chiamati dal loro capostipite familiare 163693 Atira scoperto nel 2003.

I NEA che posso portare un potenziale impatto con il nostro pianeta sono classificati come pericolosi (Potentially Hazardous Asteroids – PHA). Tecnicamente vengono definiti pericolosi i NEA con:

  • distanza minima di intersezione orbitale è inferiore a 0.05 UA (moid < 0.05)
  • magnitudine assoluta inferiore a 22 (H < 22)

Ci sono circa 2000 oggetti in questo gruppo, la maggior parte appartengono alla classe Apollo.

L’uso di modelli di Machine Learning si rivela molto utile per aiutare il lavoro degli astronomi nella classificazione di questi oggetti celesti sia in base alla pericolosità che alla classe di appartenenza.

Si tratta di un esempio di algoritmi per la classificazione con etichette applicato al campo dell’astronomia.

Per quanto riguarda la seguente l’analisi verranno utilizzati tre distinti algoritmi per l’analisi PHA:

  • K-Neighbors
  • Decision Tree
  • Random Forest

Per la classificazione del gruppo di appartenenza (Aten, Apollo, Aten ed Atira) verranno utilizzati i seguenti due algoritmi:

  • K-Neighbors
  • Decision Tree

Il Machine Learning, un campo dell’Intelligenza Artificiale, sostiene il lavoro dell’essere umano, soprattutto nei casi di compiti ripetitivi che possono essere automatizzati ma non lo solleva dal controllo dei risultati forniti dagli algoritmi e dalla validità e consistenza dei dati di ingresso (bias, numerosità, rappresentatività del campione, …)

Il dataset di input è liberamente scaricabile dal sito del CNEOS. Tramite un’interfaccia web è possible selezionare la lista le caratteristiche degli oggetti interessati all’analisi: nel nostro caso le quattro classi di oggetti NEA (esclusi oggetti cometari) con i principali attributi (caratteristiche e parametri orbitali).

Si inizia con un’esplorazione  generica dei dati per:

  • eliminare dal dataset i valori incompleti
  • rimuovere le colonne inutili all’analisi (esempio gli indici BV, UB)
  • rimuovere le colonne con valori nulli (H, diametro, classe)
  • rinominare le classi orbitali (0,1,2,3 al posto di AMO, ATE, APO ed IEO)
  • rinominare il tipo di NEA (PHA, non PHA) con una codifica binaria

Si ottiene quindi un’idea generale del dataset. Si procede quindi alla partizione dell’insieme per classe e tipo e si visualizzano graficamente le caratteristiche comuni (numerosità complessiva e per tipo, percentuale di PHA, …) come riportato nei grafici seguenti.

  • Grafico cumulativo del numero di NEA osservati dal 1970 ad oggi
  • Numero di NEA scoperti per anno a partire dal 1990 suddiviso per classe
  • Istogramma della numerosita’ dei NEA suddiviso per classe e per pericolosita’
  • Percentuale dei NEA pericolosi sul totale presente nel database del CNEOS
  • Distribuzione statistica del diametro equivalente dei NEA per i record del database per i quali e’ questo campo e’ valorizzato
  • Grafico della distribuzione del diametro dei NEA diviso per classe
  • Grafico della distribuzione dei principali parametri orbitali dei NEA diviso per classe

Ci sono 33736 oggetti NEA, circa il 7% dei quali è classificato PHA: i NEA hanno un diametro medio di 1,3 Km (esclusi quelli per i quali questo campo non è valorizzato). Gli asteroidi PHA hanno un mediamente un diametro un poco più piccolo. Dato che gli asteroidi non hanno una forma sferica ma sono generalmente irregolari, il valore del diametro riportato nel dataset si intende un diametro equivalente che, eventualmente può anche essere stimato dalla magnitudine assoluta H ed albedo, oppure da alcune tabelle di confronto del CNEOS. Ovviamente se manca anche solo di uno dei due fattori la stima è impossibile.
La classe Apollo è la più numerosa, seguita dagli Amor, inoltre il numero di NEA scoperti è costantemente cresciuto negli ultimi anni, ma molti di essi (si stima migliaia) sono ancora in attesa di essere scoperti. Il gruppo più piccolo e più giovane (Atira) contiene solamente 32 elementi.
La classe Apollo contiene il maggior numero di oggetti pericolosi (piu di 2000) seguita in percentuale dagli Amor.
Dalla distribuzione delle dimensioni, più grande è l’oggetto, minore è la sua numerosità e quindi anche la probabilità che possa eventualmente causare un impatto sul nostro pianeta. Si stima che un oggetto dal diametro maggiore di 10 Km ha una frequenza di impatto di un singolo evento ogni 50 milioni di anni, mentre un oggetto dal diametro compreso fra 30 metri e 100 metri ha una frequenza di impatto di un evento ogni 500 anni.

L’analisi dei dati prosegue con il disegno dei diagrammi di dispersione dei principali parametri orbitali: si tratta di grafici in cui i valori di due variabili sono riportati su due assi cartesiani e l’aggregazione dei punti risultanti indica il livello di correlazione o meno tra tali variabili. Ecco i diagrammi che riportano:

• eccentricità vs diametro
• semiasse maggiore vs diametro
• perielio vs moid
• semiasse maggiore vs eccentricità

  • Diagrammi di dispersione dei parametri orbitali q/moid dei NEA suddiviso per classe e pericolosità
  • Diagrammi di dispersione dei parametri orbitali q/H dei NEA suddiviso per classe e pericolosità
  • Diagrammi di dispersione dei parametri orbitali e/d dei NEA suddiviso per classe e pericolosità
  • Diagrammi di dispersione dei parametri orbitali a/e dei NEA suddiviso per classe e pericolosità
  • Diagrammi di dispersione dei parametri orbitali a/d dei NEA suddiviso per classe e pericolosità

ed i diagrammi di distibuzione della densità dei parametri orbitali dei NEA per tipo di oggetto e pericolosità. Segue il tracciamento delle orbite di un sottoinsieme di NEA, in particolare sono selezionate le orbite di 50 asteroidi per ogni classe, ovvero 50 * 4 = 200 asteroidi in totale. Le orbite sono state tracciate per integrazione della soluzione a partire dai parametri orbitali e propagando l’orbita per un periodo di un anno.

  • Orbite di un sottoinsieme di NEA suddivisi per classe (circa 200 oggetti) visto dall’alto rispetto al piano orbitale terrestre.
  • Orbite di un sottoinsieme di NEA suddivisi per classe (circa 200 oggetti) visto in proiezione rispetto al piano orbitale terrestre.

Per confronto sono riportate anche le orbite della Terra e la posizione del Sole. Un numero maggiore di orbite avrebbe comportato calcoli più lunghi e pesanti, pertanto si è scelto un compromesso: si nota che la distribuzione degli Atira (arancione) è contenuta completamente in quella terrestre mentre gli Amor (viola) completamente esterna (coerente alla definizione).

(continua)

Nota: tutti i diagrammi ed i grafici sono stati realizzati dall’autore con Python ed il framework Jupyter

Bibliografia

  • OpenSpace Datasets for Asteroids and Comets
  • Hazardous Asteroid Classification with Machine Learning using Physical and Orbital, Arjun Ramakrishnan
  • BBC Scienze – Dicembre 2023, Gennaio 2024

Storia della Terra – Conclusione

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La nostra storia della Terra prosegue con l’ultimo eone: il Fanerozoico che vede al divisione dei continenti, l’esplosione della vita e i primi ominidi …

Fanerozoico (età della Terra: 4 miliardi) L’ultimo eone della Terra si apre con la divisione di Rodinia, fino ad allora l’unico grande continente terrestre: esso si divide in Laurentia e Godwanda, quindi si riunisce di nuovo formando un secondo unico grande continente (Pangea) e un unico grande oceano (Pantalassa). Ora gli eventi si spostano sulla terraferma, ove l’evoluzione mostra appieno i suoi risultati a partire dall’Esplosione Cambriana. Negli ultimi 567 milioni di anni, la Terra subisce mutamenti radicali: oltre a periodi di instabilità climatica ove si alternano periodi caldi e glaciazioni (altre 3 glaciazioni).

Fonte: https://earthhow.com/paleozoic-era/

Ecco una breve lista degli eventi principali:

  • 520 milioni di anni fa: i trilobiti (artropodi)  che domineranno lo scenario per 250 milioni di anni circa
  • 440 milioni di anni fa: estinzione di massa Ordoviciana
  • 530 milioni di anni fa: le piante con parti dure fanno la loro apparizione
  • 375 milioni di anni fa: estinzione di massa Devoniana
  • 360 milioni di anni fa: presenza degli anfibi
  • 325 milioni di anni fa: presenza dei rettili
  • 300 milioni di anni fa: terzo evento ossidativo
  • 250 milioni di anni fa: la Grande Estinzione alla fine del Permiano
Fonte: https://earthhow.com/mesozoic-era/
  • 225 milioni di anni fa: fanno il loro ingresso i dinosauri
  • 200  milioni di anni fa: estinzione del Triassico
  • 150 milioni di anni fa: presenza degli uccelli
  • 130 milioni di anni fa: presenza delle prime piante a fiore
  • 65 milioni di anni fa: l’estinzione del Cretaceo pone fine al dominio dei Dinosauri. I mammiferi (esseri più piccoli) domineranno la Terra
  • 2 milioni di anni fa: primi ominidi (homo)

Negli ultimi cinque miliardi di anni circa, la Terra è sopravvissuta a cinque glaciazioni e cinque grandi estinzioni di massa (occorse a forme di vita complesse) e continuerà a cambiare sia geologicamente che dal punto di vista climatico in continuazione, anche molto prima del momento in cui Sole uscirà dalla sequenza principale del diagramma HR. Il Sistema Solare infatti è un sistema caotico e attualmente non siamo in grado di prevederne la stabilità con un orizzonte più esteso di 20-30 milioni di anni. Per quel tempo, della specie vivente homo sapiens sapiens, rimarrà solo un ricordo sotto forma di reperti fossili.

Bibliografia

Storia della Terra – Parte II

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La nostra storia della Terra prosegue con l’arrivo della fotosintesi, il miliardo noioso, modello di Terra a Palla di Neve fino all’arrivo di un’atmosfera potenzialmente respirabile anche da un essere umano …

Pianeta roccioso è un particolare tipo di pianeta così come definito dalla UAI nel 2006 con delle caratteristiche ulteriori relative alla sua composizione chimica e materiale, in particolare la presenza dei seguenti sei elementi (o composizioni di essi): Ossigeno, Silicio, Alluminio, Ferro, Calcio e Magnesio

Archeano (età della Terra: 600 milioni) I primi organismi monocellulari (procarioti) sono già attivi nell’oscurità delle acque e dove ancora non arriva la luce. La temperatura della Terra è simile a quella attuale e diminuisce la concentrazione di metano. A mano a mano che gli organismi prolificano, la vita si sposta sempre più in superficie e cambia il processo biochimico di base: i procarioti iniziano a sfruttare la luce del Sole che traspare dall’acqua per iniziare la fotosintesi ossigenica. La fotosintesi ossigenica è più efficiente di quella anossigenica (quindi rappresenta un vantaggio evolutivo) e si basa sulla seguente reazione:

                                                                      6CO2 + 6H2O + ν –> C6H12O6 + 6O2                   

Tra i prodotti di scarto della fotosintesi prodotta dai cianobatteri c’è l’ossigeno che inizia ad accumularsi in atmosfera, ed anche la creazione di sedimenti calcarei laminati chiamati stromatoliti.

Campione di roccia proveniente dalla Isua Greenstone Belt in Groenlandia del periodo Archeano (3,8 miliardi di anni fa)

Archeano (età della Terra: 1 miliardo) L’ossigeno è un elemento altamente reattivo in grado di ossidare (ovvero in grado di acquistare elettroni), quindi l’ossigeno liberato come scarto dai cianobatteri procarioti non rimane in atmosfera, ma partecipa alle reazioni di ossido-riduzione. L’ossigeno inizia ad ossidare tutto ciò che incontra sulla terraferma dando inizio al processo di creazione di strati di roccia sedimentaria con diverso grado di ossidazione chiamata BIF (Band Iron Formation).

Queste bande cambiano ancora una volta il colore della Terra di un colore rosso. Con il passare delle epoche e dei movimenti delle placche tettoniche le BIF si sono spostate ed ora si trovano principalmente sui fondali degli oceani.

Archeano (età della Terra: 1,5 miliardi) La produzione di ossigeno non si ferma e non avendo più a disposizione rocce esposte da ossidare, si accumula in atmosfera cambiandone per sempre la sua caratteristica. Gli scienziati chiamano questo processo GEO (Grande Evento Ossidativo) oppure Catastrofe dell’Ossigeno. Il Sole aumenta la sua capacità radiante e raggiunge circa 85% di quella attuale.

Proterozoico (età della Terra: 2 miliardi) La vita sulla Terra evolve: con il tempo gli organismi procarioti (organismi unicellulari) lasciano spazio ai primi eucarioti (organismi multicellulari).Per meccanismi ancora non del tutto noti, probabilmente per endosimbiosi, i procarioti vengono inglobati e fagocitati da altri procarioti: il nuovo essere vivente (eucariota) rappresenta l’embrione di un organismo multicellulare composto da un mitocondrio ed una membrana esterna. Al tempo stesso i cianobatteri che ancora basano la loro esistenza consumando CO2 rischiano di estinguersi, quelli che vogliono sopravvivere devono trovare una nicchia ecologica entro la quale continuare a esistere.

Proterozoico (età della Terra: 2,5 miliardi) La vita è apparentemente tranquilla: per un altro miliardo di anni non ci saranno grossi cambiamenti al nostro pianeta. In realtà la Natura lavora incessantemente: in questo periodo di apparente calma (noto come miliardo noioso) la Natura lascia che l’evoluzione darwiniana faccia il suo corso, anche con tentativi fallimentari. E anche il periodo della rivoluzione minerale, ove si formano nuove tipi di rocce.

Proterozoico (età della Terra: 3,5 miliardi) La Terra si trova nel Neo Proterozoico ma un nuovo evento di portata planetaria sta per abbattersi su di essa. Lentamente la temperatura superficiale si abbassa e i ghiacciai aumentano di estensione: lo strato di ghiaccio superficiale causa un aumento di albedo del pianeta ed aumenta così la quantità di radiazione dispersa, ed il pianeta si raffredda ancora di più. Come in un meccanismo di feedback positivo l’abbassamento di temperatura favorisce l’ulteriore estensione dei ghiacciai fino a che essi non ricoprono l’intera superficie terrestre: la terra diventa un pianeta ghiacciato come una palla di neve (modello a Snow Ball) e si colora di bianco.  Probabilmente la frantumazione di Rodinia ha esposto una maggiore quantità di basalto all’azione degli effetti atmosferici (oramai ricca di ossigeno), che avrebbe favorito l’intrappolamento per reazione chimica di CO2. La CO2 costituisce un potente gas serra (il secondo, dopo il vapore acqueo) e la sua diminuzione in atmosfera ha innescato il meccanismo di abbassamento delle temperature e estensione dei ghiacciai a cascata. Alcuni geologi non sono d’accordo sul modello Snow Ball, ma sostengono che la Terra non fosse completamente ricoperta di ghiaccio, ma esistesse una fascia equatoriale non ghiacciata di acqua mista neve ove la luce solare poteva ancora filtrare  sott’acqua e rendere ancora possibile il processo di fotosintesi (modello Slush Ball). Sulla superficie la vita sparì ma non nei fondali oceanici, presso i camini ove attendere migliori condizioni.

Col passare del tempo, i vulcani e l’attività geotermica tornarono a immettere in atmosfera CO2, i ghiacciai iniziarono a sciogliersi e la Terra uscì dall’inverno bianco. Lo scioglimento dei ghiacciai ha lasciato tracce geologiche attraverso i tilliti, un tipo di rocce molto dure deposte e lavorate dai ghiacciai in ritirata. Il livello di ossigeno in atmosfera aumenta ancora, (secondo evento ossidativo) e si accumula una grossa quantità di fosforo e manganese lungo le coste dovuto alla putrefazione dei batteri. L’ossigeno in atmosfera reagisce con i raggi solari dello spettro UV, e si forma la fascia l’ozono (O3) fra i 35 e 40 Km di altezza.  Alla fine del Proterozoico l’atmosfera è potenzialmente “respirabile” per un ipotetico essere umano; la Terra è protetta dalle radiazioni UV e microorganismi multicellulari si trovano su tutto il globo.

(continua)

Bibliografia