IL SOLE

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SECONDA PARTE

Nella prima parte di questo mio piccolo trattato sul Sole ho esposto il percorso storico che nei millenni, dalla preistoria sino ai giorni nostri, ha portato gradualmente alla comprensione della nostra stella. Si è visto come l’uomo ha guardato al Sole dapprima con arcano timore e riverenza; e come pian piano si e’ giunti a comprenderne la natura fisica dell’astro, la mente dell’uomo ha visto in esso un interessante oggetto di studio scientifico e di conoscenza. Gli studi di personaggi come galileo e newton, kelvin ed Einstein, hanno spianato la via alla concezione moderna della struttura e della fisica del Sole.Fisica che, come si vedrà, è comune al meccanismo che crea, alimenta e sostiene tutte le stelle dell’universo.

Oggi si sa che il nostro Sole è una stella di piccola taglia, una “stella nana” costituita principalmente da idrogeno ed elio. L’idrogeno è, nell’universo, l’elemento piu’ semplice, essendo costituito da un solo protone. Infatti, l’idrogeno è l’elemento di gran lunga il piu’ abbondante nell’universo, a cui fanno seguito l’elio, il litio e gli elementi via via piu’ complessi. Nella prima parte ho accennato al contributo di Einstein, non tanto sulla “scienza del sole” di per se’ stessa, quanto sulla relazione tra massa ed energia che giustifica l’emissione stessa di una grande quantità di energia prodotta dalla perdita di una piccola quantità di massa che si verifica nel fenomeno che va sotto il nome di fusione nucleare, dove gli atomi si fondono insieme. Cio’ provoca una piccola perdita di massa che si disperde come “energia pura”, proprio secondo la relazione di equivalenza tra energia e massa prevista da Albert Einstein. Nel sole avviene proprio questo: 4 atomi di idrogeno si fondono per formarne uno di elio. La piccola quantità di massa che viene a mancare in ogni atomo di elio rispetto alla somma della massa agli atomi di idrogeno che si sono fusi insieme per costituirlo, è l’energia pura che da tale reazione nucleare viene liberata, e che si manifesta a noi come luce e calore. Luce e calore che sono dati dalle frequenze della radiazione emessa dal Sole, la cui gamma va dalle onde radio al’infrarosso, fino allo spettro dell’ultravioletto, dei raggiX e dei raggi gamma, passando per lo spettro della luce visibile. Ma vi sono altri effetti notevoli che derivano dalle reazioni di fusione tra gli atomi che si verificano all’interno del Sole; temperature e pressioni dell’ordine dei 15milioni di gradiC. ed una immane “forza radiante” che tende a “spingere fuori” la materia solare. Tale “energia esplosiva” è pero’ controbilanciata dalla forza di gravità del Sole,che tende a farlo collassare su se’ stesso. E’ proprio questa gravità che comprime la nostra stella, generando pressioni e temperature elevatissime a scatenare le reazioni di fusione dell’idrogeno in elio. L’equilibrio tra la gravità e l’energia prodotta dalle reazioni interne di sintesi nucleare fanno si’ che il Sole esista, e che esso sia attivo da almeno 5 miiliardi di anni.Ora occorre andare piu’nel dettaglio sulla struttura del Sole e sui suoi dinamismi fisici.

Come è fatto il Sole?

Il Sole è considerato una stella nana.E’ una sfera gassosa ed incandescente del diametro di circa 1.400.000 km . Per renderci conto delle sue dimensioni, basta dire che il Sole potrebbe contenere la terra 330 mila volte.Tale è la differenza di volume tra  la nostra stella e la Terra, che ha un diametro di 12629km eduna massa stimabile in 1/1000.000 della massa del Sole. La massa di tutti i pianeti del sistema solare arrivano a circa 1/1000esimo della massa del Sole. Eppure il Sole è una stella piccola, se raffrontata alle dimensioni di stelle che arrivano addirittura a centinaia di milioni di chilometri di diametro. Un esempio per tutte, Antares, una “supergigante rossa”della costelazione dello scorpione, che ha un diametro di ben 950 milioni di km, ben 700 volte il diametro del Sole. Vi sono stelle che addirittura superano di 1.000.000 di volte il diametro del Sole. Il Sole consta di un nucleo centrale, le cui dimensioni, 150.000 km di diametro, superano quelle del pianeta Giove e la cui massa è 1/10  della massa complessiva del Sole. In questo nucleo caldissimo, dove le temperature sono dell’ordine di circa 15 milioni di  gradi centigradi e le pressioni interne superano le 200 atmosfere, avvengono le reazioni nucleari. Per via di queste ultime, l’idrogeno viene convertito in elio mediante la fusione dei nuclei. Cio’ produce energia elevatissima sotto forma di raggi X e di raggi gamma. Questa energia attraversa gli strati piu’ esterni della nostra stella, quelli della”sfera radiativa”, nella quale questa energia viene trasportata verso l’esterno, fino alla “sfera convettiva”,un strato in cui i gas carichi di energia si raffreddono e ricadono verso l’interno del Sole, in un ciclo continuo. La radiazione, dapprima prodotta sottoforma di raggi X e di raggi gamma, nell’attraversare gli strati piu’ esterni del Sole, in parte si “dissipa” perdendo energia, fino a diventare, una volta giunta in superficie, luce ultravioletta, luce visibile, radiazione termica ed energia nella gamma delle radiofrequenze. Il processo di “trasporto” della radiazione dal nulceo alla superficie è estremamente lento: occorrono alcuni milioni di anni a che la radiazione prodotta nel nucleo arrivi in superficie, una cosa davvero sorprendente. La luce, una volta che fuoriesce dal Sole arriva ai nostri occhi dopo soli 8 minuti, il tempo che impiega a percorrere la distanza della nostra stella dalla terra:150.000.000 di Km! Il Sole si presenta strutturalmente come una sfera stratificata, “a cipolla”. L’immagine sopra spiega molto bene, seppur in maniera semplificata, questa struttura. Il limite tra la parte interna del Sole,che abbiamo visto essere composta dal nucleo, dalla “sfera radiante” e dallo “strato convettivo”, e la sua parte esterna, è rappresentato dalla fotosfera. La fotosfera è lo strato “apparente” del Sole: da lei “parte” infatti la luce visiblie, da cui il nome. E’ un guscio di circa 700Km di spessore e con una temperatura che si aggira intorno ai 5750°C . Al di sotto della fotosfera c’è la densa materia degli strati piu’ interni del Sole, mentre al di sopra di essa si trova l’atmosfera solare, piu’ “trasparente”. Ma quali fenomeni avvengono in una superficie per noi cosi’ tranquilla? Analizziamo innanzitutto questa superficie solare. Abbiamo parlato della fotoscera. Essa è strutturata in milioni di “celle” di materia, dalle quali si generano delle eruzioni, dei “pennacchi” chiamati “granuli”, che si innalzano anche per un migliaio di Km ed hanno una forma circolare o poligonale ed una sezione che varia da circa 200 Km  fino a quasi 900 Km di diametro; la materia che si trova invece nella parte inferiore di queste “celle” ricade nuovamente all’interno, “riciclata nella “sfera convettiva” del Sole, dove il materiale solare “sale e scende”,un po’ come avviene per le correnti d’aria e per quelle marine, qui sulla Terra. La durata media di questi “granuli” è di pochi minuti. La superficie della fotosfera solare cambia costantemente il suo aspetto.Qui avvengono i fenomeni tra quelli maggiormente conosciuti ed affascinanti: le “macchie solari. L’ultimo strato solare, il piu’ esterno, è detto “cromosfera”. Da essa si sviluppano i gas “coronali” che, come si vedrà, costituiscono la parte piu’ tenue e rarefatta del Sole: la “corona solare”, forse quella a noi  la piu’ familiare perche’ fa buona mostra di se’ nelle eclissi di Sole. La “cromosfera” prende questo nome da due parole greche: “cromos-colore- e “sphera”-sfera-, percio’ il suo significato è “sfera colorata”. La cromosfera è estesa circa 15 mila Km. E’ difficilissimo osservarla per via della luce accecante della fotosfera. Anche in questo caso ci viene in aiuto il fenomeno delle eclissi solari. Anche nella cromosfera i gas non sono distribuiti uniformemente, ma si concentrano in diverse aree. Nella fotosfera sottostante, intensi campi magnetici formano delle zone piu’ “fredde”, che sono le famose macchie, ai bordi delle quali si concentra materia che viene  sollevata in alto anche per 10.000 Km, sviluppando delle “fiammate”: le “facole”,un fenomeno la cui duratamassima è di circa 5 minuti. Nellealtre zone, distanti dai “bordi “delle “macchie”, questi gas formano dei “supergranuli”, che sono quasi un “prolungamento” dei “granuli” delle “celle” della fotosfera. Questi “supergranuli” si sviluppano in getti di gas che si innalzano anche per 40.000 Km di altezza.Questi immensi getti prendono il nome di “Spiculae”. Come i granuli della fotosfera, anche queste “spiculae” ricadono verso l’interno del Sole. Le”spiculae” hanno una durata media che puo’ arrivare fino a  circa 5 – 6 ore. Vorrei soffermarmi un po’ sulle “macchie” solari, prima di accennare all’”atmosfera vera e propria” de sole,caldissima e rarefatta che per il suo suggestivo aspetto, prende il nome di “corona solare”. Prima di parlare della corona solare mi vorrei soffermare ancora una volta sulle “macchie solari” che, come abbiamo visto, sono delle “zone piu’ fredde” rispetto al resto della fotosfera, nella quale queste si formano. La temperatura media di queste foramazioni è di circa 700-1000 gradi inferiore al calore medio della fotosfera che è, come abbiamo visto, di circa 5750°C. Galileo stabili’ che la rotazione del Sole avviene in circa un mese, proprio dallo studio e dall’osservazione sullo spostamento di queste macchie. Studi che egli riassunse nel suo famosissimo  trattato “De maculis solaribus”. Misure recenti e piu’ precise hanno stabilito che il nostro astro compie una rotazione  in 27 giorni, 6 ore e 37 minuti all’equatore. Si, perche’ la rotazione del Sole è “differenziata”: Piu’ ci si allontana dall’equatore piu’il periodo di rotazione di una determinata “fascia”solare è lungo. A 30° di latitudine esso è di 28 giorni, 4 ore e 48 minuti, mentre  a 60° è di 30 giorni, 18 ore e 12 minuti. Il numero delle macchie solari varia notevolmente, da un massimo di 40.000 o 50.000 ad un minimo di poche decine, in funzione dell’attività e della radiazione solare. Le macchie solari segono un ciclo di circa 11 anni, che è il ciclo principale di attività solare. Il Sole è soggetto ad altri cicli di massima e minima attività, riscontrata in studi che hanno stabilito ad esempio che tra il 1645 ed il 1715 si è avuto un “minimo storico” delle macchie, che constava del numero  di una cinquantina di macchie, contro le decine di migliaia presenti normalmente. Questo “minimo” prese il nome di “minimo di Maunder, dall’astronomo che piu’ tardi scopri’ questa mancanza di macchie a cui risali’da studi su documenti e cronache dell’epoca. Il periodo di questo “minimo storico” cui si fa cenno coincise con la parte centrale di cio’che prese il nome di “piccola glaciazione”. In quegli anni infatti ci furono in Europa e in Nord America inverni molto freddi. Notevole è a tal riguardo il risultato di studi recenti secondo i quali il Sole durante quel periodo si sarebbe addirittura espanso e che avrebbe di conseguenza rallentato la sua rotazione. Cio’ fa ritenere che un Sole piu’ espanso con una rotazione piu’ lenta sia piu’ freddo e irradi meno calore alla Terra. Il motivo di questa contrazione ed espansione del Sole non è noto; sarebbe soggetto ad un ciclo analogo a quello undecenale delle macchie, ma molto piu’ lungo. Ancora  poco si sa dei meccanismi che stanno alla base dei cicli di formazione delle macchie. sappiamo che esse sono la “spia”dell’attività complessiva del Sole e del plasma gassoso che principalmente lo compone: una”mistura” di idrogeno ed di elio, che sono gli elementi base coinvolti nei processi nucleari che da 5 miliardi di anni lo mantengono in attività, e le cui “riserve di elio”, circa il 24 % contro il 74 % dell’idrogeno (il 92% della  massa totale ) e di altri elementi presenti in misura minore che ne garantiscono una vita di altri 5 miliardi di anni ancora.

I fenomeni solari che avvengono nei suoi vari strati, sino a quello che caratterizza cio’ che maggiormente ci interessa come creature del pianeta Terra, sono ovviamente piu’ complessi e, come abbiamo visto, tra di loro correlati. Il fenomeno della reazione nucleare di fusione dell’idrogeno che si trasforma in elio disperdendo una certa quantità della massa originaria degli atomi coinvolti in queste reazioni (i 4 atomi di idrogeno si fondono per formarne uno di elio sono un po’ piu’ “pesanti” dell’atomo di idrogeno risultante) che si “irradia”sottoforma di energia elettromagnetica dal nucleo centrale verso l’esterno attraverso lo strato “radiativo”, ove la radiazione si fa strada verso l’esterno diviene vieppiu’ “debole”, partendo dalla frequenza X e gamma sino ad arrivare alle frequenze dell’ultraviioletto, del visibile e dell’infrarosso, è strettamente connesso ai fenomeni convettivi dello strato superiore a quello radiativo: qui i gas ascendono e ridiscendono, e generano a loro volta i dinamismi degli strati superiori: la fotosfera, da cui si “originano” la lcue che noi vediamo insieme alle onde termiche e dove appaiono ciclicamente le macchie; la cromosfera da cui si elevano le protuberanze solari sino ad altezze vertiginose. Tutto questo sfocia nel suo insieme, nello strato piu’ esterno e rarefatto del Sole, la corona solare.

la corona solare  si estende per centinaia di migliaia di chilometri al di sopra della cromosfera, ed è costituita principalmente di gas di idrogeno che si leva dagli strati sottostanti. In essa la temperatura  è cosi’ elevata da raggiunge alcuni milioni di gradi Celsius-i gradi centigradi che usiamo noi-. Il gas della corona solare, per via di queste elevatissime temperature è allo stato di plasma. Il plasma è uno stato particolare della materia in cui le particelle, elettroni e ioni (atomi elettricamente carichi, con elettroni in piu’ od in meno, mentre gli atomi neutri possggono egual numero di protoni ed elettroni…) sono soggette all’interazione di forze che agiscono a distanza: elettroni e protoni che si muovono con un certo grado di libertà e la cui carica complessiva è comunque neutra: è il cosiddetto “quarto stato della materia”!). Non si conoscono bene le ragioni per cui la corona è cosi’ calda; ma una parte rilevante di questo immane calore è attribuita al potente campo magnetico del Sole. La corona solare, come abbiamo visto, è molto calda e supera di un fattore 200 la temperatura media della fotosfera, che come abbiamo visto, è di 5750°C. la  corona solare è pero’ molto meno dnensa (un centomiliardesimo rispetto alla desistà della fotosfera), percio’ soltanto un milionesimo della luce visibile proviene dall’atmosfera tenue del sole, la corona.

Si è visto come il calore della corona viene attribuuito in parte al campo magnetico della nostra stella.

Il sole, infatti, possiede un suo campo magnetico, generato dalla nostra stella attraverso i complessi dinamismi interni implicanti quei movimenti convettivi dei gas allo stato di plasma. Il campo magnetico solare è caratterizzato da poli Nord e Sud che si invertono ogni 11 anni, in corrispondenza del massimo dell’attività solare che, come abbiamo visto, coincde con il maggior numero di macchie solari. E’ piu’ chiara, a questo punto, la relazione fra le macchie sulla superficie della fotosfera ed il campo magnetico globale del Sole. Al campo magnetico sono dovute anche le manifestazioni delle flare o brillamenti solari, violente esplosioni piu’ potenti di 100 bombe nucleari che generano potenti getti di particelle, per lo piu’ protoni ad alta energia. Questa materia espulsa dal sole prende il nome di “vento solare”. E’ questo “vento di particelle cosmiche” che disturba le trasmissioni radio e che sono pericolose per gli astronauti fuori dall’atmosfera terrestre. Il “vento solare”genera pero’anche quel fenomeno bellissimo che noi tutti conosciamo: le aurore boreali. Cio’ avviene perche’ le particelle energetiche provenienti dal Sole,”deflesse” dal campo magnetico della terra, “strappano” elettroni ai gas dell’alta atmosfera terrestre che si “caricano”di elettricità, generando cosi’ le famose “aurore”. E’, in sosstanza, il principio della luce al neon: elettroni “eccitano” il gas del tubo che emette cosi’ luce.

Il Sole si trova al centro  di quella che viene chiamata “eliosfera”. Il suo limite estremo è l’eliopausa. L’eliopausa è la zona esterna del sistema solare nella quale la densità del vento solare è maggiore di quella della materia interstellare. L’eliosfera è praticamente una “bolla magnetica” che contiene il sistema solare, il campo magnetico del Sole stesso ed il “vento solare”, generato da quest’ultimo . 

L’eliosfera assorbe i raggi cosmici provenienti dalle altre zone dell’universo. Non ha una forma sferica perche’ il forte impatto con queste radiazioni cosmiche la “deformano”. la sua superficie è irregolare e le sue dimensioni variano in relazione ai cicli solari. Questa “bolla protettiva” si setende per almeno 100 volte la distanza media della Terra dal Sole. Il  nostro Sole non è l’unica stella a possiede le caratteristiche descritte; caratteristiche come le macchie sulla superficie, i dinamismi nucleari e convettivi interni, l’emissione di energia e particelle ed il campo magnetico sono peculiarità comuni a tutte le altre stelle. Le differenze sono se mai nella massa, nellee dimensioni, nella durata della vita di una stella e nel suo “destino finale”; destino che dipende dalla massa e da altre caratteristiche intrinseche di ogni astro e- perche’ no?- dall’interazione con gli altri corpi celesti e con lo spazio che lo circonda.

 Il Sole si muove, insieme con la galassia di cui fa parte, nell’espansione dell’universo; ruota col ruotare della galassia stessa intorno al suo centro in 250 milioni di anni ed occupa una posizione periferica in questa “girandola” composta da almeno 200 miliardi di stelle e che si estende per ben 100 mila anni luce. Il Sole si trova a 26.000 anni luce dal centro galattico, in uno dei suoi bracci che si “chiudono a spirale”: il “braccio di Orione”. La nostra galassia è una tra le almeno cento miliardi di altre galassie contenenti a loro volta miliardi di stelle come il Sole. L’importanza che il Sole riveste risiede nel fatto che attorno ad esso viaggiano i pianeti del nostro sistema solare, e in uno di essi viaggiamo noi, protetti dal suo tenue guscio che è la nostra atmosfera. Il Sole, la nostra stella, una stella come tante altre e che ospita, forse, un pianeta come tanti altri. Guardando il cielo nelle notti chiare, quei puntini luminescenti e trepidanti ci ricordano che siamo immersi nell’immensità, e che esiste una forza che pulsa in ogni astro.Questa forza è l’energia, che si manifesta in tutti i suoi molteplici aspetti, generando le stelle e noi. A questo punto, mi si permetta di parafrasare Dante Alighieri:” E’ la gravitazione universale, “che move il Sole e l’altre…stelle”. Oltre all’Amore, naturalmente.

CIAO

Marghian