Le stime più recenti sull’età del nostro pianeta portano un valore di 4,567 miliardi di anni: da quando è nato ha subito mutamenti radicali dal punto di vista geologico e climatico e, per altrettanti miliardi di anni, continuerà a fare altrettanto. In questo articolo vogliamo descrivere brevemente la storia del pianeta roccioso che da circa 2,5 milioni di anni (dalla comparsa del genere Homo habilis) ci ospita e costituisce la nostra Casa. Prima di iniziare dobbiamo definire alcune condizioni entro le quali muoverci con facilità, formulare alcune ipotesi di base e formulare un punto di partenza, ovvero un istante di tempo dal quale iniziare la nostra storia. Anzitutto dobbiamo definire cosa è un pianeta roccioso:

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.

Questo significa che un pianeta roccioso possiede rocce, gemme e minerali di qualsivoglia struttura cristallina la cui composizione chimica contiene i sei elementi sopra elencati. Una definizione più estesa e lasca di pianeta roccioso, include nella lista anche altri tre elementi: sodio (Na), Potassio (K) e Nichel (Ni). Dobbiamo ora definire un punto di inizio della nostra storia, un istante t0 a partire dal quale misurare l’età della Terra: per evitare di dilungarsi troppo nella descrizione, ci baseremo sul fatto che il Sistema Solare si è da poco formato ed il Sole è appena entrato in sequenza principale.

I geologi suddividono la storia della Terra in 4 eoni, ovvero “la più estesa unità cronologica in cui è stata divisa l’età della Terra”:

  • Adeano
  • Archeano
  • Proterozoico
  • Fanerozoico

Ogni eone è suddiviso in periodi ed epoche. Analizziamo in dettaglio gli eventi più significativi di ogni periodo, eventualmente aggiungendo un’ulteriore suddivisione: infine le date che accompagnano il periodo rappresentano gli anni trascorsi dalla formazione del Sistema Solare.

Principali eventi sulla Terra avvenuti nell’eone Adeano. Fonte https://earthhow.com/hadean-eon/
Rappresentazione artistica dell’impatto fra Terra e Theia

Adeano (età della Terra: 50 milioni) In principio la Terra è una massa informe di lava incandescente, un vero e proprio inferno. Si tratta di un periodo più remoto della storia della Terra: i geologi lo hanno chiamato Adeano. La temperatura della Terra è di circa 3000° C e ruota velocemente su sé stessa: un giorno dura cinque ore. A causa della sua rotazione la forma della Terra è ovalizzata, ovvero schiacciata ai poli e condivide la sua fascia orbitale intorno al Sole con un altro pianeta dalle dimensioni di Marte chiamato Theia. Come un valzer gravitazionale, entrambi i pianeti stanno cercando un punto di stabilità orbitale all’interno del Sistema Solare, e si scontrano.

Non possiamo sapere con che modalità sia avvenuto: se l’impatto sia stato frontale o laterale, ma di sicuro lo scontro fu violento e i nuclei di entrambi i pianeti si compenetrano. I frammenti restanti si accumulano per accrescimento sul disco di rotazione terrestre e si forma la Luna. Il nostro satellite orbita vorticosamente intorno alla Terra: una rotazione impiega 8 ore e causa maree consistenti sulla lava fusa che si trova sulla fascia equatoriale terrestre. La Terra inizia a disperdere calore.

Adeano (età della Terra: 100 milioni) La Terra continua il suo processo di raffreddamento, la temperatura diminuisce, la massa di lava fusa inizia lentamente il suo processo di solidificazione. Probabilmente il processo di solidificazione inizia dai poli, dove minore è la forza mareale. Iniziano a formarsi una prima superficie solida che galleggia sul magma infuocato, La lava è composta da minerali e rocce vulcaniche la cui composizione è basata sui sei elementi descritti in precedenza, quindi il processo di solidificazione non avviene ad un’unica temperatura. Composti diversi hanno temperature di fusione diversi, quindi il processo di solidificazione comincia a partire dai minerali che hanno il punto di solidificazione più alto. Si formano quindi minerali come l’olivina ( Mg2SiO4), anortite, anortosite, pirosseni, feldspati e l’enstatite (MgSiO3) ed altri composti piroclastici. In funzione del loro peso specifico questi minerali precipitano sul fondo della sfera terrestre fino a trovare l’equilibrio idrostatico che li “fissa” ad una certa profondità dalla superficie terrestre: i più densi troveranno posizione più vicini al nucleo terrestre, gli altri nel mantello ed altri ancora vicino alla superficie. La solidificazione prosegue fino a formare una prima superficie nera dove il basalto (SiO2 – Al2O3), una roccia nera effusiva, ne costituisce il composto principale che galleggia sul magma infuocato sottostante. Con il passare del tempo la Terra diventa una sfera di basalto e dalle crepe infernali escono quantità enormi di anidride carbonica (CO2), azoto (N2), metano (CH4) e (poca) acqua: l’atmosfera è totalmente irrespirabile: non c’è traccia di ossigeno (O2), sebbene la Terra ne sia piena. Dove si trova, quindi? L’ossigeno si trova tutto sotto i piedi: nei composti, minerali e rocce; sulla superficie l’elettricità statica crea lampi, fulmini, tempeste e forti venti. La vita non può ancora esistere.

Adeano (età della Terra: 200 milioni) La Terra continua il suo processo di raffreddamento e si formano altri composti: la temperatura scende fino a permettere la solidificazione del granito. Il granito ha un peso specifico inferiore al basalto, quindi cerca di farsi largo nelle crepe ancora lasciate aperte sulla superficie, spunta e si erge sopra il basalto dando origine ai prime piccole montagne. Ormai la Terra è uno sferoide solido la cui superficie ha assunto il colore grigio dovuto al granito: è diventato un pianeta roccioso.

Adeano (età della Terra: 300 milioni) La Terra non è l’unico pianeta del Sistema Solare: contemporaneamente ad essa si sono formati anche i giganti gassosi che non si trovano nella posizione che conosciamo oggi, ma molto più vicini. Secondo l’ipotesi della Grande Virata, Giove e gli altri gassosi in quel periodo si trovano molto vicino alla Terra, e anch’essi, come la Terra, stanno cercando la sua valle di stabilità all’interno del Sistema Solare. Giove e Saturno, i due principali pianeti gassosi, entrano così in risonanza tra loro, le loro orbite si allargano e si spostano verso l’esterno, oltre la linea della neve1 del Sistema Solare (circa 5 u.a. all’epoca). Su queste orbite esterne si trova il materiale che non è riuscito ad aggregarsi per formare un nuovo pianeta del Sistema Solare sotto forma di asteroidi, nuclei cometari ed altri corpi rocciosi. Questi oggetti possiedono al loro interno e sulla superficie enormi quantità di molecole complesse basate sul carbonio (amminoacidi) insieme ad ammoniaca (NH3), anidride carbonica (CO2), metano (CH4) in forma solida e tantissimo ghiaccio d’acqua.

Adeano (età della Terra: 300 milioni) Questa Grande Migrazione dei giganti gassosi (molto massivi) provoca un’altrettanta migrazione dei corpi rocciosi minori verso l’interno del Sistema Solare, i quali si abbattono sui pianeti interni, tra cui Mercurio, Marte, Luna e, ovviamente la Terra. La Terra è sede di un continuo e incessante di bombardamenti meteorici per circa centinaia di milioni di anni: gli asteroidi cadono sulla Terra e portano con sé le prime molecole che costituiscono la vita e una grande quantità d’acqua. Inizialmente l’acqua evapora o sublima perché le condizioni (P, T) ancora lo consentono, ma poco a poco le condizioni di temperatura favoriscono la condensazione e le gocce si accumulano in terra e in atmosfera e col tempo si si forma un unico immenso oceano. Lo sappiamo per certo dall’analisi isotopica dell’ossigeno (si presenta in natura sotto forma di tre isotopi: O 16 O 17 e O 18) intrappolato all’interno dello rocce contenente zirconio, un minerale durissimo e uno dei più antichi presenti sulla Terra. Dato che la Terra era in grado di trattenere acqua allo stato liquido in superficie, significa che si trovava già nella zona abitabile del Sistema Solare (CHZ). Il Sole all’epoca era circa il 30% meno luminoso di oggi, quindi si ipotizza che la Terra dovesse avere un’atmosfera molto densa e ricca di CH4 e CO2 con una condizione (P, T) in grado di sostenere l’acqua allo stato liquido (paradosso del Sole debole). La Terra ha cambiato nuovamente colore, l’immenso oceano le dona un  colore azzurro.

Adeano (età della Terra: 500 milioni) La Terra è azzurra, e la terraferma è concentrata in un unico grande continente (probabilmente al polo sud) chiamato Rodinia. È a partire da questo periodo che si fa partire l’origine della vita: il dibattito è ancora aperto e ci sono diverse ipotesi. I primi microorganismi sono stati batteri monocellulari localizzati nelle profondità del mare, ancora non esposti alla luce del Sole, che traevano energia dalle rocce, presso i camini vulcanici utilizzando fotosintesi anossigenica (senza ossigeno) e sfruttando il calore generato dal camino e le quantità di acido solfidrico emesso dal camino, grazie alla seguente reazione.

6 CO2 + 12 H2S –> (C6H12O6) + 6 H2O + 12 S

Questi organismi chiamati procarioti, non avevano organi interni e potrebbe essere che sfruttassero per il proprio sostentamento anche i processi di organizzazione e di mineralizzazione delle rocce. Ancora non è noto il processo per cui molecole complesse basate sul carbonio siano intervenute nel processo della nascita e formazione della vita e probabilmente si trattava di un mondo a RNA, ovvero basato solo sull’acido ribonucleico, la molecola responsabile del processo di ereditarietà generica dell’organismo.

(continua)

1. linea della neve (frost line): distanza immaginaria dalla stella oltre la quale la temperatura e’ bassa da permettere la formazione di metano, ammoniaca, acqua e anidride carbonica allo stato solido (ghiaccio)

Bibliografia

Se chiediamo ad una persona quale pianeta ci riferiamo quando parliamo del “Signore con gli anelli”, molto probabilmente otterremo una sola risposta: Saturno, ma grazie alle scoperte dalle sonde Voyager oggi sappiamo che non è l’unico pianeta a condividere questa caratteristica; tutti i giganti gassosi del nostro Sistema Solare possiedono un sistema di anelli che li avvolge.

La presenza degli anelli era stata osservata da Galileo (1610) e da Huygens (1675); Maxwell studiò il problema dal punto di vista della meccanica celeste e dimostrò che gli anelli di Saturno non potevano essere costituiti da un unico corpo rigido, altrimenti sarebbe venuta a mancare la stabilità strutturale. Essi sono costituiti infatti da una miriade di particelle di ghiaccio, roccia e polveri dal diametro di pochi millimetri al metro che orbitano intorno al pianeta in maniera indipendente uno dall’altro; la loro orientazione varia durante l’anno e la loro struttura è molto sottile: lo spessore medio degli anelli è di 300 metri nonostante si estendano fino a una distanza di circa 483000 Km.

Se guardiamo gli anelli all’oculare di un telescopio, ci accorgiamo che esistono separazioni all’interno della struttura: ogni sezione ha un nome, una caratteristica ed una densità variabile.

Struttura degli anelli di Saturno
Struttura degli anelli di Saturno

Nel sistema ad anelli di Saturno si distinguono ben sette sezioni (fasce) chiamate con le lettere maiuscole: procedendo dall’interno verso l’esterno le sezioni sono le seguenti:

  • Anello D (molto debole)
  • Anello C interno
  • Divisione di Maxwell
  • Anello C esterno
  • Anello B (il più denso)
  • Divisione di Cassini
  • Anello A interno
  • Divisione di Enke
  • Pastori: Pan
  • Divisione di Keeler
  • Anello A esterno
  • Pastori: Prometeo
  • Anello F
  • Pastori: Atlas, Pandora, Epimetheus e Janus
  • Anello G
  • Anello E

Una caratteristica che accumuna gli anelli di tutti i giganti gassosi è che essi non si estendono oltre il limite di Roche: esso rappresenta un limite entro il quale le forze mareali del pianeta sono superiori alle forze di coesione del satellite stesso. All’interno del limite di Roche pertanto possono esistere solo piccoli satelliti (lune e pastori) in grado di resistere a stress gravitazionali le quali sono corresponsabili del confinamento e della stabilità dell’intero sistema.

Nell’interazione fra pastore e anello entrano in gioco forze gravitazionali, in particolare la risonanza orbitale: che è anche corresponsabile della creazione di lacune, come la divisione fra la fascia A e B (divisione di Cassini). La risonanza è presenta nell’intera struttura degli anelli; le particelle esterne dell’anello B, per esempio, sono in risonanza 2:1 con Mimas, le particelle della divisione di Enke sono in risonanza 5:3 sempre con Mimas, mentre il confine esterno della divisione di Keeler è in risonanza 7:6 con Janus. In generale, maggiore è il rapporto m:n, più intenso sono gli effetti dell’interazione fra anello e satellite.

Un terzo effetto dei pastori è di modellare i bordi degli anelli; quando le particelle interne/esterne dell’anello superano (o si fanno superare) dal satellite pastore, quest’ultimo modifica le loro orbite deviandole dalla traiettoria originaria; l’effetto risultante è quello di frastagliare il bordo dell’anello. Le forze che agiscono portano alla creazione di moti localmente sinusoidali periodiche con un periodo proporzionale alla distanza fra il satellite e le particelle che costituiscono l’anello.

Struttura degli anelli di Giove
Struttura degli anelli di Giove

Le correlazioni fra anelli e pastori sono presenti anche nel sistema di anelli degli altri giganti gassosi: Giove possiede un sistema di anelli molto debole costituito da polveri la cui origine è molto incerta; si suppone che sia il risultato d’impatti cometari il cui materiale espulso sia andato a costituire l’attuale configurazione.  A differenza di Saturno, però le particelle che compongono gli anelli di Giove, sono molto più distanziate rispetto a quelle che caratterizzano Saturno e quindi collidono più raramente.

Il sistema è composto di un anello principale di materiale roccioso il cui moto è influenzato dal campo magnetico gioviano. Nella parte più esterna dell’alone si distinguono due anelli:

  • Anello interno di Gossamer: si trova a una fascia compresa fra 129000 Km e 182000 Km.
  • Anello esterno di Gossamer: si trova a una fascia compresa fra 182000 Km e 225000 Km.

Come per Saturno, al loro interno si trovano piccole lune: Adrastea e Metis nell’anello interno di Gossamer, vicino all’alone principale, mentre nella regione esterna di Gossamer si trovano Amalthea ed Thebe. Si pensa che la fonte delle particelle che costituiscono il sistema di anelli di Giove arrivi proprio dai satelliti stessi, in particolare dalle lune Adrastea e Metis che hanno un diametro di 10 – 20 Km.

Struttura degli anelli di Urano
Struttura degli anelli di Urano

Anche per Urano e Nettuno, la presenza di piccole lune contribuisce alla spiegazione di fenomeni di confinamento e forma degli anelli.

Urano è circondato da una serie di anelli molto deboli e stretti con un’elevata eccentricità definiti da lettere greche e (per i più recenti) da numeri. La certezza della loro presenza avvenne grazie al lavoro della Voyager 2, sebbene grazie a osservazioni terrestri, basate su occultazioni stellari, avessero fatto ipotizzare che Urano possedesse un debole sistema ad anelli. La conferma avvenne nel marzo 1977: gli astronomi attrezzarono un aereo (il Kuiper) per misurare il diametro del pianeta, la stella di test prima di essere occultata e poi scoperta da Urano lampeggiò più volte; questo comportamento indusse gli astronomi a pensare alla presenza di anelli.

Oltre ai cinque scoperti dall’osservatorio volante, la Voyager ne scoprì altri e portò il conto totale degli anelli undici; essa confermò anche la presenza a cavallo dell’anello ε due piccoli pastori: Cordelia e Ofelia il cui loro moto agisce come un processo di confinamento dell’anello. La risonanza è presente anche qui, in particolare i satelliti Ariel e Umbriel si trovano in risonanza 5:3

Struttura degli archi di Nettuno
Struttura degli archi di Nettuno

Nettuno possiede tre anelli, di cui due molto stretti, che portano i nomi dei tre astronomi che contribuirono alla sua scoperta: Galle, Le Verrier e Adams. Come per Urano, anche per Nettuno fu ipotizzata la loro presenza grazie a un processo di occultazione stellare da parte del pianeta, ma a differenza del precedente, l’occultazione rilevò un’asimmetria nella curva di luce. La spiegazione ci venne fornita dalla Voyager 2, la quale evidenziò un sistema di tre archi (Libertè, Egalitè e Fraternitè) sistemati sull’anello più esterno, quello a maggior concentrazione di materiale. La sonda rilevò un sistema di lune intrappolate all’interno degli anelli, in particolare Galatea (situata fra anello centrale ed il più esterno) che si trova in risonanza di moto medio 42:43 con l’anello Adams ed è responsabile della dinamica dei tre archi dell’anello più esterno.

Anche Nettuno possiede pastori, tra i quali citiamo: Naiad, Thalassa, Despina e Larissa.

Visto la somiglianza di tutte queste strutture, cosa possiamo dire dell’origine degli anelli che caratterizza questi giganti del Sistema Solare? Gli astronomi hanno formulato due ipotesi: la prima si rifà ai primi momenti di formazione del Sistema Solare, secondo la quale durante la formazione del pianeta la nube di polveri/gas si sarebbe appiattita dando origine ai satelliti, ma all’interno del limite di Roche, le forze di marea ebbero il sopravvento e si formarono gli anelli.

La seconda ipotesi implica una formazione molto più recente e si basa sulla cattura dal campo gravitazionale del pianeta di corpi celesti esterni e in seguito spezzati in mille frammenti quando hanno oltrepassato il limite di Roche. Tutti gli anelli hanno una struttura dinamica; continuamente materiale viene perso con gli urti fra particelle dell’anello ed al tempo stesso i satelliti pastori provvedono al recupero e riciclaggio del materiale.

Lo studio di queste magnifiche strutture è risultato molto importante perché oggi gli astronomi pensano che il modello che sta alla base del loro funzionamento possa essere studiato come analogia per spiegare la formazione del Sistema Solare quando la nube di gas/polveri che circondava il Sole ha iniziato a collassare per dar luogo ai suoi pianeti.

Fotografie

  • NASA/JPL
  • Voyager 2

Il Sistema Solare è stabile?

La risposta a questa domanda non è immediata e va contestualizzata: anzitutto bisogna capire in che contesto si considera la domanda: il Sole ha già 5 miliardi di anni, e noi vogliamo sapere allora se il Sistema Solare sarà stabile finché ci sarà il Sole? Oppure finché il Sole uscirà dalla sequenza principale del diagramma H-R? Oppure più semplicemente ci interessa sapere se l’intervallo temporale da prendere in considerazione per la stabilità si riduce alla presenza dell’Uomo sulla Terra?

In ogni caso la domanda è legittima ma va riformulata meglio grazie all’aiuto della meccanica celeste nel modo seguente: quanto sono stabili le orbite dei pianeti del Sistema Solare? Con il passare del tempo le orbite rimarranno come quelle che conosciamo ora oppure saranno soggette a cambiamento? La Terra corre per caso qualche pericolo di collisione con gli altri pianeti quali ad esempio Venere o Marte?

Il computer ha dato una mano agli astronomi a trovare una risposta; si tratta di elaboratori dedicati il cui solo scopo è fare i calcoli necessari per simulare l’evoluzione nel tempo del nostro Sistema Solare. L’hardware ed il software di questi computer è studiato e progettato per completare un solo lavoro: quello per cui son stati costruiti.

Jacques Laskar, che lavora al Bureau des Longitudes di Parigi, ha lavorato alla questione e sono risultate cose molto interessanti. Come ormai sappiamo dal punto di vista matematico un sistema è caotico se almeno uno dei suoi componenti lo è,  ma nel nostro caso però ci interessa suddividere il problema fra pianeti esterni e interni, con particolare riferimento a quest’ultimi dato che la Terra ne fa parte.

Laskar partì dall’equazione di Newton modificata con le correzioni apportate da Einstein nella Teoria della Relatività e quindi introdusse nel calcolo dell’evoluzione delle orbite dei pianeti anche il lento moto di precessione delle orbite planetarie (modello perturbativo). Una volta impostate le equazioni (che contengono più di 150.000 termini) lasciò che il computer calcolasse l’evoluzione delle orbite nel tempo.

Questo complesso planetario digitale (dal nome del complesso di calcolo – Digital Orrery) ha calcolato la posizione delle orbite ad intervalli regolari, diciamo 5000 anni, in modo che in capo a poche settimane si arrivava ad ottenere il moto dei pianeti per un intervallo di circa 200 milioni di anni.

Quale fu il risultato? Ebbene Laskar scoprì che il moto di tutti i pianeti, soprattutto quelli interni, è caotico; inoltre riuscì a dimostrare che le previsioni per il futuro delle orbite planetarie hanno dei limiti:

In capo a 100 milioni di anni diventa impossibile fare una stima sul destino dei pianeti del Sistema Solare.

La variabilità del caos ci porta a fare considerazioni differenti secondo i pianeti in esame:

  • Pianeti esterni: Giove, Saturno, Urano e Nettuno possiedono in generale un moto regolare, verbigrazia il loro moto rimane regolare.
  • Pianeti interni: Venere e la Terra sono moderatamente caotici. Mercurio e Marte lo sono molto di più, addirittura Mercurio può essere anche espulso dal sistema. Con il passare del tempo le loro orbite cambiano notevolmente l’eccentricità e questo può portare anche all’intersezione delle loro orbite con i pianeti vicini.

Uno dei problemi principali che sorgono quando si fanno queste simulazioni riguardano le condizioni iniziali, cioè lo stato iniziale del sistema a partire dal quale il sistema viene lasciato evolvere con la simulazione. Il risultato cambia di molto secondo le variabilità di quest’ultime; nel caso dei pianeti esterni entro un’incertezza di 1/10000000 esistono sia moti regolari che moti caotici.

Per ultimo abbiamo lasciato Plutone, un pianeta nano: oltre ad avere un’orbita molto inclinata rispetto agli altri pianeti (non si trova infatti sull’eclittica) le simulazioni hanno concluso che il suo moto è decisamente caotico.

Dato che abbiamo parlato delle orbite dei pianeti, ecco un filmato fatto da me con Celestia su tutti gli otto membri della famiglia del nostro Sistema Solare unitamente ai satelliti principali. Le orbite tracciate in grigio rappresentano le traiettorie delle sonde Voyager 1 e Voyager 2.

Ecco infine il link al video che mostra i risultati della simulazione effettuata da Laskar.

Riferimenti

  • Alessandra Celletti – Ordine e caos nel Sistema Solare
  • Ian Stewart – Dio gioca a dadi?