Le forze di marea

Nella sezione:

– Hai domande o dubbi?

E’ stata posta una nuova domanda molto interessante e che credo sia il caso di discutere subito. Prima di cominciare, vi ricordo che questa sezione e’ stata appositamente creata per far si che chiunque possa richiedere argomenti specifici che, qualora non ancora trattati, verranno poi affrontati negli articoli al fine di stimolare una discussione costruttiva tra tutti i lettori.

Premesso questo, la domanda riguarda le cosiddette “forze mareali” o “di marea”.

Di cosa si tratta?

Partiamo, al solito, da quello che e’ noto a tutti: i pianeti dell’universo ruotano intorno al Sole grazie alla forza di gravita’ che li tiene uniti. Allo stesso modo, a distanze minori, molti pianeti del sistema solare presentano dei satelliti orbitanti intorno a loro. Ovviamente, anche questi sono tenuti insieme dalla forza di gravita’.

Ecco un primo risultato interessante e che spesso passa inosservato. Lo studio e la formulazione matematica della forza di gravita’, fatta per la prima volta da Newton, prende il nome di “teorie della gravitazione universale”. L’aggettivo “universale” non e’ assolutamente messo li per caso, ma sta ad indicare come la validita’ di questa legge sia vera a scale estremamente diverse tra loro. Se noi rimaniamo attaccati alla Terra e perche’ c’e’ la forza di gravita’. Se la Terra ruota intorno al Sole e’ perche’ c’e’ la forza di gravita’. Allo stesso modo, la rotazione del sistema solare intorno al centro della Galassia, cosi’ come il moto della Galassia stessa e’ possibile grazie alla forza di gravita’. Detto questo, capite bene perche’ viene attribuito l’aggettivo universale a questa legge.

Dal punto di vista fisico, due qualsiasi masse poste ad una certa distanza si attraggono secondo una forza direttamente proporzionale al prodotto delle loro masse e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza. Come anticipato questo e’ vero per due qualsiasi masse estese nello spazio.

Per andare avanti, concentriamoci pero’ sulla domanda fatta e dunque parliamo di forze di marea. Come e’ noto, l’innalzamento e l’abbassamento del livello delle acque sulla Terra e’ dovuto alla Luna, anche se, come vedremo, anche il Sole ha il suo contributo.

Alla luce di quanto detto prima, se la Terra attrae la Luna, ed e’ vero il viceversa, come mai i due corpi non vanno uno verso l’altro finendo per scontrarsi?

Il segreto della stabilita’ delle orbite e’ appunto nel moto di rotazione della Luna intorno alla Terra. Questo movimento genera una forza centrifuga diretta verso l’esterno che stabilizza il moto. Questo e’ lo stesso effetto che trovate per qualsiasi corpo in rotazione nell’universo. Per essere precisi, due corpi in rotazione tra loro, ruotano intorno al centro di massa del sistema. Nel caso di Terra e Luna, la differenza tra le masse e’ cosi’ grande che il centro di massa cade molto vicino al centro della Terra.

Detto questo, abbiamo capito perche’ il sistema puo’ ruotare stabilmente, ma ancora non abbiamo capito da dove si originano le maree.

Come anticipato, l’intensita’ della forza di attrazione gravitazionale e’ inversamente proporzionale al quadrato della distanza. Bene, rimaniamo nell’esempio Terra-Luna. L’attrazione subita dal nostro satellite per opera della Terra, non sara’ identica in ogni punto della Luna. Mi spiego meglio, provate a guardare questo disegno:

Forze di marea subite per attrazione gravitazionale

Il lato piu’ vicino all’altro pianeta subira’ un’attrazione maggiore dal momento che la distanza tra i due corpi e’ piu’ piccola. Questo e’ vero ogni qual volta siamo in presenza di corpi grandi. Analogamente, prendendo in esame il contributo centrifugo, la forza risultante tendera’ a spingere il lato vicino verso l’altro pianeta e allontare il lato lontano.

Ragioniamo su quanto detto senza perderci. Abbiamo un corpo esteso ad una certa distanza da qualcosa che lo attrae. Questa attrazione dipende dalla distanza tra i due corpi. Dal momento che abbiamo un corpo esteso, il lato che guarda il centro di attrazione sara’ necessariamente piu’ vicino subendo una forza maggiore rispetto al lato lontano.

Bene, questa differenza tra le interazioni tende ad allungare il corpo cioe’ a farlo passare da una sfera ad un elissoide. Queste sono appunto le forze di marea.

Quali effetti possiamo avere?

Nell’immagine riportata prima, si vedevano proprio le forze di marea esercitata dalla Luna sulla Terra. Come vedete, il lato verso la Luna e quello diametralmente opposto tendono ad allungarsi, provocando dunque un innalzamento delle acque. Negli punti perpendicolari al sistema invece, si avra’ uno schiacciamento e dunque un abbassamento del livello delle acque. Ecco spiegato come avvengono le maree. Ovviamente, poiche’ tutto il sistema e’ in movimento, i punti con alta e bassa marea cambieranno nel corso della giornata, presentando due cicli completi nell’arco del giorno.

Domanda lecita: perche’ nel calcolo delle maree consideriamo solo gli effetti della Luna trascurando completamente il Sole? Come sappiamo, la massa del Sole e’ notevolmente maggiore di quella della Luna quindi ci si aspetterebbe un contributo dominante. Come visto, le forze mareali si generano perche’ ci sono differenze significative tra l’attrazione subita da un lato del pianeta rispetto all’altro. Dal momento che la distanza tra la Terra e il Sole e’ molto piu’ elevata di quella Terra-Luna, la differenza di intensita’ dovuta all’attrazione solare e’ molto meno marcata. Detto in altri termini, a distanze maggiori un corpo esteso puo’ essere approssimato come un punto e dunque e’ molto piccola la forza di marea che si genera.

Effetti misurabili si possono avere quando Sole, Terra e Luna sono allineati, come avviene nel novilunio, dal momento che i contributi si sommano. In questo caso si possono dunque avere livelli di marea massimi, anche noti come maree sigiziali, cioe’ in cui la differenza di altezza tra alta e bassa marea raggiunge il picco.

Analogamente a quanto visto, anche la Luna subisce una forza di marea da parte della Terra. Dal momento pero’ che la Luna non e’ ricoperta da oceani, la resistenza meccanica alla distorsione e’ molto maggiore. In questo caso, l’effetto misurabile e’ una differenza di qualche kilometro tra l’asse rivolto verso la Terra e quello perpendicolare, tale da far apparire il nostro satellite come un elissoide.

Altro effetto delle forze di marea tra corpi estesi vicini e’ la sincronizzazione della rotazione. Come tutti sanno, la Luna rivolge sempre la stessa faccia verso la Terra. Detto in altri termini, a meno di “oscillazioni” che si registrano, un osservatore sulla Terra riesce a vedere sempre la stessa porzione di Luna o meglio, un lato della stessa rimane sempre invisibile al nostro sguardo, il cosiddetto “lato oscuro della Luna”.

Perche’ si ha questo comportamento?

Come anticipato, questo e’ dovuto alla rotazione sincrona della Luna intorno alla Terra. Detto molto semplicemente, il periodo di rotazione e di rivoluzione della Luna coincidono tra loro. Se volete, in parole povere, mentre la Luna si sta spostando sulla sua orbita, ruota su se stessa in modo tale da compensare  lo spostamento e mostrare sempre la stessa faccia a Terra. La figura puo’ aiutare meglio a comprendere questo risultato:

Rotazione sincrona tra satellite e pianeta. Fonte: wikipedia.

Ovviamente, parlare di stesso periodo di rivoluzione e rotazione non puo’ certo essere un caso. Rotazioni sincrone si hanno come conseguenza delle forze mareali potendo dimostrare che per corpi vicini tra loro, il moto tende ad essere sincrono in tempi astronomicamente brevi.

Parlando di forze di marea, ci siamo limitati a studiare il caso del sistema Terra-Luna. Seguendo la spiegazione data, capite bene come questi effetti possano essere estesi a due qualsiasi corpi in rotazione vicina tra loro. In tal senso, effetti di marea si possono avere in prossimita’ di buchi neri, di stelle di neutroni o anche di galassie, cioe’ corpi in grado di generare un elevato campo gravitazionale. In particolare, nel caso delle galassie le forze di marea tendono, in alcuni casi, ad allungare la forma spostando la posizione di corpi celesti che si allontanano a causa della differenza di attrazione.

Concludendo, abbiamo visto come la Luna possa generare sulla Terra le maree. L’effetto del Sole e’ in realta’ inferiore perche’ molto maggiore e’ la distanza che ci separa dalla nostra stella. Effetti di questo tipo vengono generati a causa della differenza di attrazione gravitazionale che si registra nei diversi punti di un corpo esteso. Queste differenze, generano appunto una forza risultante, detta di marea, che tende ad allungare il corpo. Effetti analoghi si possono avere per corpi piu’ estesi e comunque ogni qual volta si hanno due masse posizionate ad una distanza non troppo maggiore del diametro dei corpi.

 

”Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

A caccia di vita sugli esopianeti

Di ufo e di esistenza degli alieni, ne abbiamo parlato abbondantemente in queste pagine. Come sappiamo, e come dichiarato anche nel libro Psicosi 2012, dal punto di vista scientifico quello che piu’ interessa non e’ tanto la discussione sui presunti avvistamenti di dischi volanti, quanto la probabilita’ che forme di vita aliene possano esistere da qualche parte nel nostro universo e ovviamente se possano entrare in contatto con noi.

Di questi argomenti, abbiamo, ad esempio, discusso abbondantemente parlando del paradosso di Fermi e dell’equazione di Drake:

– Messaggio alieno nelle aurore?

Come visto, se si vuole stimare scientificamente la probabilita’ che forme di vita intelligente esistano da qualche parte, si devono fare considerazioni molto complesse dal punto di vista scientifico, antropologico, biologico, ecc.

Ovviamente, condizione necessaria affinche’ si possa formare la vita, e’ che da qualche parte ci sia un pianeta in grado di ospitarla, cioe’, come nel caso della Terra, con presenza di acqua, temperatura non troppo alta ne troppo bassa, atmosfera respirabile, ecc. Se ci pensate bene, il caso piu’ semplice che possiamo considerare e’ un pianeta da qualche parte del tutto simile alla nostra Terra. Se qui si e’ formata la vita, si potrebbe essere formata anche su un pianeta gemello al nostro da qualche parte nell’universo. Ovviamente si potrebbe obiettare dicendo che possono esistere forme di vita basate su cicli diversi dal nostro, ma cercare qualcosa di simile a noi e’ senza dubbio il caso piu’ semplice che possiamo concepire.

Ora, il punto fondamentale e conclusivo di questo preambolo e’ abbastanza scontato: dove trovare un pianeta gemello alla Terra?

Come sappiamo, i pianeti del nostro Sistema Solare non sono affatto simili alla Terra e, almeno nelle condizioni attuali, difficilmente potrebbero ospitare la vita. Il secondo passo e’ dunque uscire dal nostro Sistema Solare e dare uno sguardo alla nostra Galassia. In questo caso, ci sono potenzialmente tantissimi pianeti da osservare, molti dei quali pero’ troppo lontani da noi. Della posizione della Terra all’interno della Via Lattea abbiamo parlato in questo post:

– Nuova sconvolgente teoria?

Ovviamente, non stiamo pensando di andare a cercare la vita dall’altra parte della Via Lattea, dove i nostro occhi (strumentali si intende) non possono arrivare, ma in un intorno del Sistema Solare, cioe’ subito al di fuori di questo.

A tal proposito, a partire dagli anni ’90, si e’ iniziato a parlare di esopianeti, cioe’ di pianeti che non ruotano intorno al nostro Sole bensi’ intorno ad un’altra stella. Detto in altri termini, immaginate la Galassia come un insieme di tanti sistemi solari, cioe’ di tanti sistemi di pianeti che ruotano intorno ad un corpo massivo centrale. Anche il nostro Sistema Solare rientra in questo insieme di oggetti.

Perche’ si parla di esopianeti a partire dagli anni ’90? Dal punto di vista storico, il primo che formulo’ l’ipotesi dell’esistenza degli esopianeti fu Newton nel 1713, ma solo negli anni ’90 venne individuato per la prima volta un esopianeta esterno al nostro sistema solare.

Grande slancio nell’individuazione degli esopianeti venne dato dalla messa in orbita della sonda Keplero della NASA nel 2009. Questo telescopio e’ stato lanciato proprio per studiare ed individuare sistemi planetari esterni al nostro.

Come viene fatta questa ricerca?

Numero di esopianeti scoperti anno per anno a partire dal 1989

Detto in parole molto semplici, Keplero monitora e segue la luminosita’ di circa 150000 stelle nella nostra Galassia cercando piccolissime variazioni di luminosita’. Questo e’ noto come “metodo dei transiti”. Dalla definizione data, gli esopianeti ruotano intorno ad una stella centrale. Durante il loro passaggio, si ha una piccolissima variazione di luminosita’ della stella che viene appunto rivelata dall’esposimetro di Keplero. In questo modo, e’ possibile non solo identificare un esopianeta, ma anche determinare la massa e il periodo di rivoluzione intorno al corpo centrale.

Funziona questo metodo?

Assolutamente si. Nel grafico riportato vedete il numero di esopianeti scoperti a partire dagli anni ’90. Tra l’altro il grafico e’ aggiornato solo fino alla meta’ del 2012. Ad oggi, circa 700 pianeti extrasolari sono stati scoperti nella nostra Galassia.

Perche’ stiamo parlando di esopianeti?

Negli ultimi giorni si e’ tornati pesantemente a parlare di esopianeti dal momento che e’ stato fatto l’annuncio della scoperta del piu’ piccolo pianeta extrasolare mai osservato, Kepler 37B. Questo pianetino e’ molto piu’ piccolo anche di Mercurio avendo delle dimensioni paragonabili a quelle della nostra Luna.

In questo disegno vengono appunto paragonate le dimensioni di Kepler 37B con quelle di altri corpi noti del Sistema Solare o esterni:

Le dimensioni di Kepler 37b confrontate con i pianeti del Sistema Solare

Kepler 37B ruota intorno ad una stella chiamata Kepler, distante circa 220 anni luce da noi. Insieme a Kepler 37B, altri due esopianeti ruotano intorno a Kepler, Kepler 37C e Kepler 37D. Ammetto che la fantasia nel dare nomi non e’ proprio il punto di forza di questa ricerca.

Per darvi un’idea, Kepler 37B e’ molto vicino alla sua stella centrale che presenta caratteristiche simili al nostro Sole. La relativa vicinanza implica un periodo orbitale di soli 13 giorni.

Kepler 37B potrebbe essere l’esopianeta gemello della nostra Terra?

Purtroppo no. Come visto, la piccola distanza da Kepler implica una temperatura molto elevata sull’esopianeta, molto probabilmente privo di acqua ma anche di un’atmosfera. Fate attenzione, in rete si parla molto di questa scoperta anche in termini pseudo-scientifici. Molti siti vorrebbero infatti far credere che questa scoperta implichi l’esistenza di forme di vita aliene. Come visto dalle considerazioni scientifiche fatte, questo e’ assolutamente falso.

Ad oggi, o meglio per il momento, non e’ stato ancora possibile trovare un esopianeta gemello della nostra Terra. Come visto pero’, il ritmo di scoperta di questi sistemi e il continuo miglioramento delle tecniche di ricerca, ci fanno ben sperare che si tratti solo di una questione di tempo. Certo, da qui a parlare di pianeta gemello popolato da forme di vita ce ne passa, ma sicuramente questa ricerca potrebbe, il condizionale e’ d’obbligo, portare, prima o poi, a qualche scoperta sensazionale.

Solo per concludere, questa e’ scienza vera. Voler esplorare cosa c’e’ oltre non solo del nostro pianeta, ma addirittura del Sistema Solare non puo’ che alimentare la continua voglia di scoperte scientifiche. Ricerche di questo tipo non sappiamo dove possono portare, ma sicuramente ci consentono di migliorare la nostra conoscenza di quello che abbiamo intorno. Da qui a parlare di alieni c’e’ differenza, ma sicuramente il discorso e’ meno fantasioso di tanti video di avvistamenti che si trovano su youtube.

 

”Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.