Esplorando il Sole, la Terra e l'Atmosfera: Struttura, Fenomeni e Origini

Il Sole: Struttura e Fenomeni

Core: È l'area dove la fusione nucleare si verifica a causa delle alte temperature, cioè il generatore di energia del Sole.

Zona Radiativa: Le particelle che trasportano energia (fotoni) cercano di fuggire all'esterno, in un viaggio che può durare fino a 100.000 anni, perché questi fotoni vengono continuamente assorbiti e riemessi.

Zona Convettiva: In questa zona si verifica il fenomeno della convezione, ossia colonne di gas caldo salgono in superficie, si raffreddano e scendono di nuovo.

Fotosfera: È un sottile strato, circa 300 km, che fa parte del Sole che vediamo in superficie. Da qui si irradiano luce e calore nello spazio. La temperatura è di circa 5.000 °C. Nella fotosfera compaiono macchie scure e facole luminose, che sono regioni con una temperatura superiore alla norma e sono legate ai campi magnetici del Sole.

Cromosfera: Può essere visualizzata solo durante la totalità di un'eclissi solare, è di colore rosso, ha una densità molto bassa e un'alta temperatura, circa mezzo milione di gradi. È costituita da gas rarefatto e in essa ci sono campi magnetici molto forti.

Corona: Uno strato superficiale di grandi dimensioni, con alte temperature e densità molto basse. È costituita da gas rarefatti e giganteschi campi magnetici che variano in forma di ora in ora. Questo strato offre una vista mozzafiato durante la totalità di un'eclissi solare.

Macchie Solari

Le macchie solari sono conosciute come zone scure con un'ombra centrale circondata da una regione più leggera chiamata penombra. Le macchie solari sono scure perché sono più fredde della fotosfera circostante.

Le macchie sono il luogo di forti campi magnetici. Il motivo per cui le macchie solari sono più fredde non è ancora del tutto chiaro, ma una possibilità è che il campo magnetico nelle macchie inibisca la convezione sottostante.

Le macchie solari di solito crescono e durano da diversi giorni a diversi mesi. Le osservazioni delle macchie solari hanno mostrato che il sole ruota in un periodo di circa 27 giorni (visto dalla Terra).

Il numero di macchie solari sul Sole non è costante e cambia in un periodo di 11 anni noto come il ciclo solare. L'attività solare è direttamente collegata a questo ciclo.

Protuberanze Solari

Le protuberanze solari sono enormi getti di gas caldi espulsi dalla superficie del Sole, che si estendono per molte migliaia di chilometri. Le protuberanze più grandi possono durare diversi mesi.

Il campo magnetico del Sole devia alcuni dei grumi che si formano e crea un fiocco gigante. Avvengono nella cromosfera a circa 100.000 gradi.

Le protuberanze sono fenomeni spettacolari. Appaiono sul bordo del Sole come nubi fluttuanti molto in alto nell'atmosfera inferiore della corona e sono costituite da nubi di materiale a una temperatura più bassa e densità superiore a quella dei suoi dintorni.

Le temperature nella parte centrale sono circa un centesimo della temperatura della corona, mentre la sua densità è circa 100 volte superiore a quella della corona circostante. Pertanto, la pressione del gas all'interno di una protuberanza è approssimativamente uguale a quella dei suoi dintorni.

Vento Solare

Il vento solare è un flusso di particelle cariche, soprattutto protoni ed elettroni, che sfuggono dal Sole ad alta velocità e penetrano nel sistema solare.

Alcune di queste particelle cariche, intrappolate dal campo magnetico terrestre, spiraleggiano lungo le linee di forza da un polo magnetico all'altro. Le aurore boreali e australi sono il risultato delle interazioni di queste particelle con le molecole d'aria.

La velocità del vento solare è di circa 400 chilometri al secondo vicino all'orbita della Terra. Il punto in cui il vento solare incontra quello proveniente da altre stelle si chiama eliopausa, ed è il limite teorico del sistema solare. Si trova a circa 100 UA dal Sole. Lo spazio all'interno del perimetro dell'eliopausa, contenente il Sole e il sistema solare, è chiamata eliosfera.

La Terra: Origine, Struttura e Magnetismo

La Terra si è formata circa 4.650 milioni di anni fa, insieme all'intero sistema solare. Anche se le rocce più antiche sulla Terra non hanno più di 4.000 milioni di anni, i meteoriti, che corrispondono geologicamente al nucleo della Terra, danno date di circa 4.500 milioni di anni, e la cristallizzazione del nucleo e degli organismi precursori dei meteoriti si ritiene che si siano verificati nello stesso momento, circa 150 milioni di anni dopo la formazione della Terra e del Sistema Solare.

Dopo essersi condensata dal gas e dalla polvere cosmica per attrazione gravitazionale, la Terra era quasi omogenea e piuttosto fredda. Ma la continua contrazione dei materiali e la radioattività di alcuni degli elementi più pesanti hanno contribuito al suo riscaldamento.

Poi cominciò a sciogliersi sotto l'influenza della gravità, provocando la differenziazione tra crosta, mantello e nucleo, con i silicati più leggeri che si spostavano verso l'alto per formare la crosta e il mantello e gli elementi più pesanti, soprattutto ferro e nichel, che cadevano verso il centro della terra per formare il nucleo.

Allo stesso tempo, l'eruzione dei vulcani ha portato alla fuoriuscita di gas volatili e vapori. Alcuni sono stati catturati dalla gravità terrestre e hanno formato l'atmosfera primordiale, mentre il vapore acqueo condensato ha formato gli oceani.

Magnetismo Terrestre

Il magnetismo terrestre significa che la Terra si comporta come un enorme magnete. Il fisico inglese William Gilbert fu il primo a dirlo nel 1600, anche se gli effetti del magnetismo terrestre erano stati usati molto prima nella bussola primitiva.

La Terra è circondata da un forte campo magnetico, come se il pianeta avesse un enorme magnete dentro, con il Polo Sud situato vicino al Polo Nord geografico, e viceversa. In parallelo con i poli geografici, i poli magnetici della Terra sono chiamati polo magnetico nord e polo sud magnetico, anche se il suo magnetismo reale è opposto a quello indicato dai loro nomi.

Il polo nord magnetico si trova ora nei pressi della costa occidentale dell'isola di Bathurst Island nei Territori del Nordovest in Canada. Il polo sud magnetico si trova alla fine del continente antartico in Terre Adélie.

Le posizioni dei poli magnetici non sono costanti e mostrano notevoli cambiamenti di anno in anno. Le variazioni del campo magnetico terrestre includono un cambiamento nella direzione del campo provocata dallo spostamento dei poli. Si tratta di una variazione periodica che si ripete ogni 960 anni. C'è anche una piccola variazione annuale.

Struttura della Terra

Dall'esterno verso l'interno, la Terra può essere divisa in cinque parti:

• Atmosfera: L'involucro gassoso che circonda il corpo solido del pianeta. Ha uno spessore di oltre 1.100 km, ma metà della sua massa è concentrata nei primi 5.6 km.
• Idrosfera: È costituita essenzialmente dagli oceani, ma in senso stretto comprende tutte le superfici d'acqua in tutto il mondo, tra mari, laghi, fiumi e acque sotterranee. La profondità media degli oceani è 3.794 m, più di cinque volte l'altezza media dei continenti.
• Litosfera: Consiste principalmente della crosta terrestre e si estende fino a 100 km di profondità. Le rocce della litosfera hanno una densità media di 2,7 volte quella dell'acqua e sono composte quasi interamente da 11 elementi, che insieme costituiscono il 99,5% della sua massa. Il più abbondante è l'ossigeno, seguito da silicio, alluminio, ferro, calcio, sodio, potassio, magnesio, titanio, idrogeno e fosforo. In aggiunta, vi sono altri 11 elementi in quantità inferiori allo 0,1%: carbonio, manganese, zolfo, bario, cloro, cromo, fluoro, zirconio, nichel, stronzio e vanadio. Gli elementi sono presenti nella litosfera quasi interamente sotto forma di composti allo stato libero. La litosfera è composta da due strati, il mantello superiore e la crosta, che sono suddivisi in circa una dozzina di placche rigide. Il mantello superiore è separato dalla crosta da una discontinuità sismica, la discontinuità di Mohorovicic, e il mantello inferiore da una zona debole conosciuta come l'astenosfera. La plastica e le rocce parzialmente fuse nell'astenosfera, spessa 100 km, permettono ai continenti di muoversi sulla superficie della terra e agli oceani di aprirsi e chiudersi.
• Mantello: Si estende dalla base della crosta fino a una profondità di circa 2.900 km. Tranne che nella zona conosciuta come l'astenosfera, è solido e la sua densità, che aumenta con la profondità, varia da 3,3 a 6. Il mantello superiore è composto da silicati di ferro e magnesio, come l'olivina, e quello inferiore da un ossido misto di magnesio, ferro e silicio.
• Core (Nucleo): Ha uno strato esterno di circa 2.225 chilometri di spessore con una densità relativa media di 10. Questo strato è probabilmente liquido. La superficie rigida esterna ha depressioni e picchi. Al contrario, il nucleo interno, il cui raggio è di circa 1.275 km, è solido. Entrambi gli strati del nucleo sono composti di ferro con una piccola percentuale di nichel e altri elementi. Le temperature del nucleo interno possono raggiungere i 6.650 °C e la sua densità media è di 13.

Il nucleo interno irradia calore intenso continuamente verso l'esterno attraverso i vari strati concentrici che formano la parte solida del pianeta. La fonte di questo calore è l'energia rilasciata dal decadimento di uranio e di altri elementi radioattivi. Le correnti di convezione all'interno del mantello spostano la maggior parte dell'energia termica della Terra alla superficie.

L'Atmosfera: Origine e Struttura

Atmosfera Primordiale: La miscela di gas che forma l'atmosfera attuale si è sviluppata in oltre 4.500 milioni di anni. L'atmosfera iniziale doveva essere composta esclusivamente da emissioni vulcaniche, vale a dire, vapore acqueo, anidride carbonica, biossido di zolfo e azoto, senza quasi ossigeno.

Per ottenere la trasformazione, si sono dovuti sviluppare una serie di processi. Uno di loro era la condensazione. Dopo il raffreddamento, la maggior parte del vapore acqueo di origine vulcanica si è condensato, dando origine agli oceani antichi. Ci sono state anche le reazioni chimiche. Parte del biossido di carbonio ha reagito con le rocce crostali per formare carbonati, alcuni dei quali si sono dissolti negli oceani.

Più tardi, quando la vita primitiva si è evoluta ed è diventata capace di fotosintesi, ha iniziato la produzione di ossigeno. Circa 570 milioni di anni fa, il contenuto di ossigeno dell'atmosfera e degli oceani è aumentato a sufficienza da permettere l'esistenza della vita marina. Più tardi, circa 400 milioni di anni fa, l'atmosfera conteneva abbastanza ossigeno per consentire l'evoluzione degli animali terrestri in grado di respirare aria.

Struttura dell'Atmosfera

L'atmosfera è suddivisa in diversi strati:

• La troposfera raggiunge un limite superiore (tropopausa) che si trova a 9 km di altezza ai poli e 18 km all'equatore. In essa si producono significativi movimenti orizzontali e verticali di masse d'aria (venti) e vi è relativa abbondanza di acqua. È l'area delle nuvole e dei fenomeni meteorologici: pioggia, vento, sbalzi di temperatura, ecc., ed è lo strato di maggior interesse per l'ecologia. La temperatura diminuisce man mano che si sale, fino a -70 °C nel suo limite superiore.
• La stratosfera inizia dalla tropopausa e raggiunge un limite superiore (stratopausa) a 50 km di altitudine. La tendenza al cambiamento di temperatura si inverte e raggiunge circa 0 °C nella stratopausa. Quasi nessun movimento d'aria in direzione verticale, ma i venti orizzontali raggiungono spesso fino a 200 km/h, rendendo facile per qualsiasi sostanza che raggiunge la stratosfera diffondersi rapidamente in tutto il mondo. Ad esempio, questo è il caso dei CFC che distruggono l'ozono. In questa parte dell'atmosfera, tra i 30 e i 50 chilometri, si trova lo strato di ozono, importante perché assorbe le dannose radiazioni ad onde corte.
• La mesosfera, che si estende tra i 50 e gli 80 km di altezza, contiene solo circa lo 0,1% della massa totale dell'aria. È importante per le reazioni di ionizzazione e chimiche che avvengono in essa. La diminuzione della temperatura in combinazione con la bassa densità dell'aria nella mesosfera determinano la formazione di turbolenze e onde atmosferiche che operano a scale spaziali e temporali molto grandi. La mesosfera è la regione dove le navicelle che ritornano sulla Terra cominciano a sentire la struttura del vento, e non solo il freno ad aria.
• La ionosfera si estende da un'altitudine di 80 km al di sopra della superficie terrestre fino a 640 km o più. A queste distanze, l'aria è estremamente sottile. Quando le particelle nell'atmosfera subiscono ionizzazione a causa della radiazione ultravioletta, tendono a rimanere ionizzate a causa delle collisioni minime che si verificano tra gli ioni. La ionosfera ha una grande influenza sulla propagazione dei segnali radio. Una parte dell'energia irradiata da un trasmettitore verso la ionosfera è assorbita dall'aria ionizzata e l'altra si rifrange, o deviata nuovamente verso la superficie della Terra. Quest'ultimo effetto permette la ricezione dei segnali radio a distanze molto maggiori di quanto sarebbe possibile con le onde che viaggiano attraverso la superficie della Terra.
• La regione che si trova oltre la ionosfera è chiamata esosfera e si estende per 9.600 chilometri, che è il limite esterno dell'atmosfera. Si estende oltre la magnetosfera, lo spazio attorno alla Terra dove il campo magnetico del pianeta domina il campo magnetico interplanetario.

Origine del Sale Marino

Dalle catene vulcaniche situate sul fondo degli oceani emerge lava con molti dei componenti dell'acqua di mare: cloro, sodio, bromo, iodio, carbonio e azoto, che si trasformano gradualmente in sale. Inoltre, i fiumi trasportano i sali e i minerali trovati nel loro viaggio attraverso i continenti. Negli oceani, la forte radiazione proveniente dal sole fa evaporare l'acqua causando l'accumulo di sali nel tempo. In acqua marina, insieme a un gran numero di elementi chimici, sono disciolti gas e sostanze nutritive per la vita dell'oceano.

La salinità globale degli oceani è di 35 parti per 1000 (35/000). Ciò significa che in 1.000 grammi (1 chilo) di acqua di mare, 35 grammi corrispondono ai sali.