Gainotti, Modelli Dentro le scienze integrate © Zanichelli editore
2011
Alba Gainotti Alessandra Modelli
Dentro le scienze
integrate
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Sez. A
La Terra nello
spazio
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Il sistema solare
UNITÀ A1
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In viaggio nello spazio
• Insieme con altri pianeti la Terra orbita attorno a una stella, il Sole. Il
Sole e i pianeti formano il Sistema solare.
• Il Sistema solare fa parte di una galassia, un gigantesco insieme di
centinaia di miliardi di stelle.
• A sua volta, una galassia non
rappresenta che un piccolo punto
nell’immensità dell’Universo.
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In viaggio nello spazio
Le unità di misura più utilizzate per
esprimere le distanze stellari sono l’unità
astronomica e l’anno-luce.
• L’unità astronomica (UA) è la distanza
media tra Terra e Sole, pari a circa
150 milioni di kilometri. Viene usata in
genere per esprimere le distanze tra i
corpi del Sistema solare.
• Un anno-luce (a.l.) è la distanza
percorsa dalla luce nel vuoto in un
anno, circa 9.460 miliardi di kilometri.
Viene usato per esprimere le distanze
tra le stelle.
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La sfera celeste
Già nell’antichità si individuarono due tipi di astri:
• quelli che occupano posizioni fisse gli uni rispetto agli altri: le
stelle;
• quelli che si muovono rispetto a tutti gli altri: i pianeti.
Dalla Terra sono visibili a occhio nudo circa settemila stelle.
Nel corso della notte le stelle ruotano
apparentemente attorno a un punto fisso,
a causa della rotazione terrestre.
Per chi si trova nel nostro emisfero terrestre,
il moto avviene attorno alla Stella
Polare, pressoché fissa.
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La sfera celeste
Il fatto che le stelle mantengano sempre la stessa posizione reciproca
permette di individuare nel cielo notturno delle figure di fantasia,
immaginando di unire determinate stelle con dei segmenti.
Queste figure, individuate fin
dall’antichità nel cielo stellato,
sono chiamate costellazioni.
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La sfera celeste
Oggi sappiamo che le stelle sono grandi masse gassose composte
principalmente da due elementi chimici:
• idrogeno;
• elio.
Esse, grazie alle reazioni di fusione nucleare che avvengono nel
loro nucleo, emettono grandi quantità di energia, come luce, calore e
altri tipi di radiazione.
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La sfera celeste
La diversa luminosità delle stelle dipende:
• dall’effettiva quantità di energia emessa;
• dalla loro distanza dalla Terra.
Alcune stelle possono infatti apparire meno luminose di altre solo
perché sono molto più lontane.
Un’altra caratteristica che distingue le stelle è il loro colore, che
dipende dalla temperatura superficiale.
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La sfera celeste
Le stelle differiscono per temperatura, colore e dimensioni.
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La sfera celeste
Sono esempi:
• le supergiganti rosse, con diametro dell’ordine del miliardo di
kilometri, circa mille volte quello del Sole.
• le supergiganti azzurre, stelle caldissime con luminosità fino a
2-300 mila volte quella del Sole.
• le giganti azzurre, con diametro 5-10 volte quello del Sole e una
luminosità migliaia di volte quella della nostra stella.
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La sfera celeste
Il Sole appartiene alla categoria delle nane gialle.
Vi sono anche:
• le nane arancioni, un po’ più piccole e fioche;
• le nane rosse, le più numerose in assoluto, con un diametro di un
decimo di quello solare e luminosità 1000-10.000 volte inferiore.
Non sono stelle vere e proprie:
• le nane bianche, che hanno un diametro paragonabile a quello
terrestre;
• le stelle di neutroni, che possono avere addirittura un diametro di
appena una ventina di kilometri.
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Nascita, vita e morte di una stella
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Le galassie sono giganteschi
ammassi di stelle
Una galassia è un
enorme insieme
di stelle ruotante
attorno a un punto,
il centro o nucleo
galattico.
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Tipi di galassie
Le galassie come la nostra hanno la forma di un gigantesco disco, con
il nucleo galattico da cui partono alcuni bracci avvolti a spirale attorno
a esso.
Oltre alle galassie a spirale come la nostra esistono:
• le galassie ellittiche;
• le galassie irregolari.
La nostra galassia ha un diametro di circa
100.000 anni luce e contiene
300-400 miliardi di stelle.
Il Sole con il suo sistema di pianeti si
trova in uno dei bracci.
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Pianeti vagabondi
Il Sole, i pianeti e i vari corpi minori, come satelliti, asteroidi e comete,
formano il Sistema solare.
I pianeti del Sistema solare sono otto e possono essere divisi in:
• pianeti interni (Mercurio e Venere) in quanto sono posti tra il Sole e la
Terra;
• pianeti esterni (Marte, Giove, Saturno, Urano, Nettuno) in quanto
sono posti oltre la Terra.
Quello che veniva un tempo considerato il nono pianeta, Plutone, è
oggi considerato solo un grosso asteroide.
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I pianeti del Sistema solare
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Come si muovono i pianeti attorno al
Sole
• Il moto che gli otto pianeti del Sistema solare compiono attorno al
Sole è detto moto di rivoluzione.
• Il tempo impiegato da un pianeta per percorrere un giro completo
attorno al Sole si chiama periodo di rivoluzione.
• I pianeti si muovono in modo antiorario su orbite che giacciono
tutte approssimativamente su uno stesso piano.
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Pianeti vagabondi
Nel Seicento lo studio delle orbite dei pianeti e le variazioni della loro
luminosità:
• misero in crisi la teoria geocentrica di Tolomeo;
• avviarono la rivoluzione scientifica della teoria eliocentrica di
Copernico;
• portarono l’astronomo tedesco Giovanni Keplero alla formulazione
delle tre leggi che descrivono il moto dei pianeti attorno al Sole.
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Come si muovono i pianeti attorno
al Sole
La prima legge di Keplero afferma che le traiettorie, o orbite,
descritte dai pianeti sono ellissi di cui il Sole occupa uno dei due
fuochi.
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Come si muovono i pianeti
attorno al Sole
Pertanto:
• un pianeta non si trova sempre alla stessa distanza dalla Terra;
• il punto di minima distanza di un pianeta dal Sole si chiama perielio;
• il punto di massima distanza si chiama invece afelio.
La Terra all’afelio si trova a 147 milioni di km dal Sole, mentre al
perielio si trova a 152 milioni di km.
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Come si muovono i pianeti attorno al
Sole
Keplero scoprì anche che i pianeti accelerano quando sono più vicini
al Sole, e rallentano quando se ne allontanano. Questa osservazione
è riassunta nella seconda legge di Keplero che dice:
il moto di un pianeta non avviene con velocità costante, ma la sua
velocità è tale che il raggio vettore descrive aree uguali in tempi
uguali.
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Come si muovono i pianeti
attorno al Sole
Keplero notò che i pianeti più lontani dal Sole hanno periodi
di rivoluzione più lunghi. Questo perché:
1.
essendo più lontani dal Sole, l’orbita è più ampia;
2.
all’aumentare della distanza dal Sole, la velocità del moto
diminuisce.
Questo fatto è affermato nella terza legge di Keplero, che dice:
il periodo di rivoluzione è diverso da pianeta a pianeta e cresce
all’aumentare della distanza del pianeta dal Sole.
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Come si muovono i pianeti attorno al
Sole
I pianeti del Sistema solare
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Come si muovono i pianeti
attorno al Sole
Oltre al moto di rivoluzione attorno al Sole, ogni pianeta compie un
moto di rotazione attorno a una retta immaginaria, chiamata asse di
rotazione.
Per la maggior parte dei pianeti il moto di rotazione avviene in senso
antiorario, se osservati dall’emisfero celeste settentrionale;
Il tempo impiegato da un pianeta per compiere un giro completo attorno
al proprio asse, può essere molto diverso da pianeta a pianeta: per
Giove meno di 10 ore, per Mercurio ben 59 giorni!
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Che cosa trattiene i pianeti in
orbita attorno al Sole?
L’inglese Isaac Newton fu il primo a pensare che la forza che trattiene
la Terra e gli altri pianeti attorno al Sole è la stessa che fa cadere i corpi
verso il basso.
La forza di gravità (o forza di attrazione gravitazionale) è una forza
di mutua attrazione, che esiste tra tutti i corpi dell’Universo, dai granelli
di sabbia ai pianeti o alle galassie.
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Che cosa trattiene i pianeti in
orbita attorno al Sole?
Legge di Newton sulla gravitazione universale:
due corpi qualsiasi dell’Universo si attraggono mutuamente con
una forza che è direttamente proporzionale alle loro masse e
inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza.
m1 . m2
Fg = G . ––––––––
d2
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Di che cosa è fatto il Sistema solare
L’elemento chimico più abbondante nel Sistema solare e
nell’Universo è l’idrogeno (H). Al secondo posto, in quantità minore, troviamo
l’elio (He).
Da solo, il Sole contiene il 99,8% di tutta la materia del Sistema solare ed è
formato in prevalenza da idrogeno.
I pianeti come la Terra, Mercurio, Venere e Marte sono costituiti in proporzione
considerevole di materiali solidi: sono detti pianeti terrestri o rocciosi.
I pianeti che si trovano al di là di Marte, Giove e Saturno, hanno notevoli
dimensioni e sono costituiti in prevalenza da idrogeno. Essi sono anche detti
giganti gassosi.
I due pianeti più lontani dal Sole, Urano e Nettuno, possono essere definiti
giganti ghiacciati in quanto, a causa delle basse temperature, alcuni dei
materiali che sugli altri pianeti sono allo stato gassoso, qui si trovano allo
stato solido.
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Una stella chiamata Sole
• Il Sole è un enorme globo di gas con un diametro di circa
1.400.000 km, più o meno 109 volte quello terrestre;
• ha un volume che è 1,30 milioni di volte quello della Terra e una
massa 333.000 volte maggiore.
• La densità media del Sole, di solo 1,4 g/cm3, è poco maggiore della
densità dell’acqua (1 g/cm3) e circa un quarto della densità media della
Terra (5,5 g/cm3).
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Una stella chiamata Sole
Procedendo dall’interno verso l’esterno del Sole possiamo distinguere quattro involucri
gassosi:
• il nucleo solare, relativamente piccolo rispetto al volume totale del globo ha una
temperatura sui 15 milioni di gradi.
• la zona radiativa è lo spesso strato che circonda il nucleo solare.
• la zona convettiva è la regione nella quale enormi getti di gas incandescente salgono
e, dopo essersi raffreddati, ridiscendono.
• la fotosfera è ciò che si vede, quando si osserva il Sole; ha una temperatura di circa
6000 °C, e da essa proviene la maggior parte delle radiazioni solari, tra cui la luce.
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I pianeti rocciosi
I pianeti più vicini al Sole sono, nell’ordine:
• Mercurio;
• Venere;
• Terra;
• Marte.
Questi quattro pianeti rocciosi formano un gruppo di corpi piuttosto
omogenei, con densità pressoché analoga e massa variabile.
A differenza dei loro fratelli giganti, più lontani, essi hanno pochi
satelliti o addirittura nessuno.
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I pianeti rocciosi: Mercurio
Mercurio è al tempo stesso torrido e
ghiacciato:
la temperatura sulla faccia rivolta verso
il Sole raggiunge infatti i 470 °C,
mentre sulla faccia opposta scende
anche a -180 °C.
La superficie del pianeta è piena di
crateri prodotti dall’impatto di meteoriti,
come è accaduto alla Luna.
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I pianeti rocciosi: Venere
Venere è perennemente avvolto da
una densissima atmosfera che
nasconde la sua superficie.
• La pressione sul suolo è di circa
90 atmosfere (come quella che si
incontra a circa 900 m di
profondità).
• L’atmosfera è formata per il 95%
da anidride carbonica e non
contiene ossigeno.
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I pianeti rocciosi: la Terra
Rispetto ai suoi fratelli del Sistema solare la
Terra presenta alcune caratteristiche che ne
fanno un pianeta tutto speciale.
È infatti:
• l’unico pianeta a possedere vaste distese
d’acqua allo stato liquido;
• il solo ad avere abbondanza di ossigeno
nell’atmosfera;
• il solo su cui è presente la vita.
Dallo spazio essa appare di colore
prevalentemente azzurro.
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I pianeti rocciosi: Marte
Marte, è detto il pianeta rosso, per la
presenza di ossidi di ferro sulla sua
superficie.
L’atmosfera, 100 volte più rarefatta di
quella terrestre, contiene in prevalenza
anidride carbonica.
Nonostante la rarefazione, in
quell’atmosfera ci sono nubi e venti ed
esistono stagioni come sulla Terra.
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I pianeti gassosi e i pianeti di
ghiaccio
Giove, Saturno, Urano e Nettuno, i pianeti giganti del Sistema
solare, sono assai diversi dai pianeti fin qui descritti.
Essi sono molto grandi ma poco densi. La loro densità,
infatti, si avvicina molto più a quella del Sole che a quella della
Terra.
Essi hanno spesse atmosfere, ricche di gas molto
leggeri come l’idrogeno e l’elio.
Sono circondati da un gran numero di satelliti e presentano sistemi di
anelli.
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I pianeti gassosi: Giove
Da solo, Giove possiede circa il 70% della
massa complessiva di tutti i pianeti.
• La massa di Giove è 318 volte quella della
Terra.
• L’atmosfera di Giove è formata per lo più da
idrogeno ed elio, ed è 1000 volte più spessa di
quella terrestre.
La struttura più stupefacente, visibile
sull’atmosfera di Giove, è un’enorme vortice
gassoso noto come «la grande macchia rossa»;
Attorno a Giove si sono contati ben 63 satelliti.
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I pianeti gassosi: Saturno
Saturno, il pianeta con i famosi
caratteristici anelli è, come Giove,
formato prevalentemente da idrogeno.
La fascia di anelli ha una larghezza
complessiva di circa 100.000 km e
uno spessore molto piccolo.
Gli anelli sono migliaia e sono formati da
frammenti di polveri e ghiaccio di
varia grandezza.
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I pianeti gassosi: Urano e
Nettuno
• Urano, scoperto nel 1781, è costituito
probabilmente da un nucleo roccioso,
avvolto da uno spesso strato di gas
(idrogeno, elio, metano e ammoniaca).
• Nettuno ha una composizione simile a
quella di Urano. La presenza di una certa
quantità di metano gli dona un colore
azzurro-verdognolo.
Nettuno si trova a una distanza di circa
4,5 miliardi di kilometri dalla Terra.
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Plutone
Plutone è un corpo celeste controverso fin dalla sua scoperta (avvenuta
nel 1930) e difficile da classificare.
• La sua densità non è tipica né dei pianeti terrestri né di quelli gioviani.
• È più piccolo della Luna.
• Ha tre satelliti, il maggiore dei quali,
Caronte, non è molto più piccolo
di Plutone stesso.
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La Luna: la compagna su cui il
tempo si è fermato
La Luna è uno dei satelliti più grandi del Sistema
solare;
• Il suo raggio medio è di 1740 km,
quarto di quello terrestre.
• La Luna è meno densa del nostro
pianeta, quasi la metà;
• Le più importanti formazioni della superficie
lunare sono oggi classificate come
crateri d’impatto, altipiani e mari,
scure distese di lava.
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I corpi erranti nel Sistema solare
Nel Sistema Solare esiste un enorme numero di corpi celesti di minori
dimensioni:
• gli asteroidi sono corpi la cui dimensione può raggiungere qualche centinaio
di kilometri; l’impatto di un asteroide con il nostro pianeta potrebbe avere
conseguenze disastrose.
• le meteore sono corpi rocciosi di piccolissime dimensioni. Ogni giorno,
moltissimi di questi corpi incrociano l’orbita della Terra e si scontrano con il
nostro pianeta (stelle cadenti).
• le comete, definite talvolta «palle di neve sporca», sono grumi di ghiaccio e
polveri di forma irregolare con un diametro di pochi kilometri.
Quando passano vicino al Sole, la loro superficie evapora e si forma la
chioma e la coda, che può essere lunga centinaia di migliaia di kilometri.
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