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4 - IL SOLE

Riprendiamo dalla fine della lezione precedente, il Sistema Solare con il Sole che splende in mezzo alle orbite planetarie.

In un istituto americano è stato chiesto agli studenti qual è la stella più vicina alla Terra. A parte qualcuno che ha detto Venere, molti hanno detto Vega o Sirio, pochi Alfa Centauri, ma nessuno ha detto il Sole: perché il Sole è una stella, la nostra stella. Non credo che quegli studenti non sapessero che cos'è il Sole; il fatto è che quando diciamo le stelle pensiamo a quei puntini che brillano nel cielo notturno, molto diversi dal Sole che splende di giorno col suo bel disco giallo: eppure il Sole è una stella di dimensioni medie come ce ne sono tante altre; la differenza di aspetto è dovuta unicamente alla distanza da noi.

Tralasciando le misure in kilometri, pensiamo alla velocità della luce, che è di 300.000 km al secondo - la luce in un secondo potrebbe fare il giro della Terra 7 o 8 volte. A questa velocità la luce emessa dal Sole impiega 8 minuti per arrivare sulla Terra, ma quella emessa da Alfa Centauri, la stella più vicina dopo il Sole, impiega più di 4 anni: ecco perché il Sole ci appare così grande rispetto alle stelle: perché è immensamente più vicino.

La prima cosa che sappiamo del Sole è che fa luce e scalda; in realtà è l'energia emessa dal Sole che ci permette di vivere, è quella che usiamo per muoverci, per lavorare - e anche per inquinare; vediamo perché. Tutta la produzione di alimenti parte dalla sintesi clorofilliana effettuata dalle piante, che è possibile soltanto grazie alla luce del Sole. Quasi tutta l'energia che usiamo ha origine nel Sole: Il petrolio si è formato milioni di anni fa dalla decomposizione di sostanze organiche, provenienti da organismi acquatici del regno animale e del regno vegetale (microrganismi, alghe ecc.). In tempi simili il carbone si è formato dalla trasformazione delle antiche foreste. Le centrali idroelettriche funzionano grazie alla caduta verso valle di grandi quantità di acqua, che viene riportata in alto dall'evaporazione provocata dal calore solare. Anche per l'energia eolica dobbiamo ringraziare il Sole, perché i venti sono generati dal riscaldamento del terreno. Pannelli fotovoltaici e pannelli solari: lo dice il nome stesso, è sempre il Sole a fornire l'energia. In questi ultimi decenni una piccola parte dell'energia a nostra disposizione viene prodotta in modo indipendente dal Sole: l'energia nucleare … ma questa per il Sole non è una novità, come vedremo in seguito.

L'energia emessa direttamente dal Sole è enorme: un piccolo assaggio sono le scottature che abbiamo preso al mare durante l'estate, ma questo è niente. Ogni metro quadro della superficie terrestre riceve circa 1 kW di energia; un piccolo giardino di 100 metri quadri (10 metri x 10 metri) può ricevere in 10 ore, durante il giorno, un'energia di 1.000 kW/ora - in un anno 365.000 kW/ora, che all'Enel pagheremmo dai 15.000 ai 20.000 €, secondo gli scaglioni tariffari. Dopo aver misurato quanta energia arriva su una certa area della superficie terrestre possiamo calcolare quanta energia viene emessa in tutto dal Sole. Costruiamo intorno al Sole una sfera immaginaria col raggio uguale alla distanza Sole-Terra: su tutta la superficie di questa sfera l'intensità dei raggi solari sarà pari a quella che abbiamo misurato sulla Terra: basta calcolare la superficie in metri quadri di questa sfera immaginaria (superficie = raggioxraggiox3,14x4) e sapremo a quanti kW corrisponde la potenza del Sole. Il calcolo fornisce valori incredibili: il Sole emette 380 miliardi di miliardi di kW, cioè emette in un secondo una quantità di energia superiore a tutta quella consumata sulla Terra dalla sua creazione ad oggi.

Il funzionamento del Sole

Ma da dove viene tutta questa energia? Il problema è rimasto insoluto fino agli anni 30 del ventesimo secolo. Infatti se il Sole fosse stato una fornace a carbone avrebbe esaurito il combustibile in circa mille anni: ma il Sole brucia da più di quattro miliardi! Verso la fine del 1800 fu avanzata la teoria della contrazione gravitazionale: se il Sole si contraesse, cioè se i materiali più esterni cadessero verso il centro, il centro si surriscalderebbe: un pò quello che succede nei freni delle auto, nella pompa da bicicletta, nelle mani che strofiniamo quando sono fredde. In questo modo l'energia sarebbe molto superiore a quella prodotta dal carbone, però a conti fatti il Sole avrebbe potuto durare non più di 10 milioni di anni: troppo poco.

La soluzione del problema venne dai fisici nucleari: il Sole produce energia da così lungo tempo perché è una bomba H in esplosione controllata continua, una fornace atomica nella quale l'idrogeno si trasforma in elio liberando una enorme quantità di energia secondo la famosa formula di Einstein e=mc² (vedi in appendice elementi di Fisica atomica). La materia prima è dunque l'idrogeno, che è l'elemento più abbondante nell'Universo ed anche il più semplice, essendo formato soltanto da un protone e da un elettrone. Nella fusione viene prodotto elio, costituito da due protoni, due neutroni e due elettroni: in pratica quattro atomi di idrogeno vengono fusi in un atomo di elio con la trasformazione di due protoni in due neutroni. Poiché l'atomo di elio ha una massa inferiore del 7 per mille a quella dei quattro atomi di idrogeno, la massa mancante viene trasformata in energia.

Il Sole annienta in questo modo 4 milioni e mezzo di tonnellate di materia ogni secondo ed ogni grammo di materia produce 25 milioni di kW/h - il consumo giornaliero di una città di un milione di abitanti. La fusione dell'idrogeno può avvenire soltanto a temperature molto alte, oltre il milione di gradi; all'inizio, nella fase di formazione del sistema solare, questa temperatura è stata generata dalla contrazione gravitazionale della nube di idrogeno primordiale, quella contrazione con la quale non si poté spiegare la lunga vita del Sole ma che è stata sufficiente a produrre la temperatura necessaria all'avvio della fusione nucleare. Ma perché il Sole non esplode? Perché la pressione verso l'esterno generata dall'energia nucleare viene controbilanciata dalla pressione verso l'interno esercitata dagli strati esterni del Sole per la legge della gravitazione universale: una specie di pentola a pressione senza coperchio.

La morfologia del Sole

Il Sole ha un diametro di circa 1.400.000 km, più di 3 volte la distanza dalla Terra alla Luna. 

 Parlando di diametro solare, dobbiamo intenderci. Il Sole è essenzialmente un globo di gas (idrogeno per oltre il 73% e elio per quasi il 25%) con una piccola quantità di altri elementi (meno del 2%). Questo inviluppo non ha una forma netta, non esiste una superficie solare: gli strati esterni di gas si trovano a pressioni molto basse e sfumano nello spazio in modo evanescente.

Ma allora perché vediamo il Sole come un bel disco netto, che dà l'idea di una superficie solida? Gli strati esterni del Sole si trovano a pressione bassissima, sono rarefatti, trasparenti ed invisibili. Man mano che si scende verso il centro i gas sono sempre più compressi e densi e sempre meno trasparenti; ad un certo livello la sovrapposizione di tutti gli strati parzialmente trasparenti crea una barriera visiva al di sotto della quale non si può scendere: questa è la fotosfera che vediamo come una superficie solida e alla quale si riferiscono le misure di grandezza del Sole. Il Sole ha una massa oltre 300.000 volte superiore a quella della Terra; è anche oltre 1.000 volte più massiccio di Giove, che è il pianeta maggiore, per cui nel Sole è concentrata la maggior parte della massa di tutto il Sistema solare: questa enorme massa è quella che gli permette una lunga vita. Considerando il volume e la massa si ricava che il peso specifico è quasi una volta e mezzo quello dell'acqua.

Nel Sole si possono distinguere diverse parti, ognuna con caratteristiche differenti:

IL NOCCIOLO - E' proprio la parte centrale del Sole, circa un decimo del raggio solare; la pressione è altissima e la densità è 12 volte superiore a quella del piombo. Qui viene prodotta tutta l'energia mediante le reazioni termonucleari, alla temperatura di 15-20 Milioni di gradi.

L'INTERNO - E' quella parte tra il nocciolo e la fotosfera, che comprende la zona radiativa e la zona convettiva. Intorno al nocciolo c'è la zona radiativa nella quale l'energia si diffonde per radiazione (come il calore di una stufa). Al di sopra e fino alla fotosfera c'è la zona convettiva, nella quale l'energia si diffonde come il calore in una pentola d'acqua sul fornello: la materia più calda sale verso l'esterno e si raffredda mentre quella più fredda scende verso il centro dove si riscalda. Queste colonne di materia ascendenti e discendenti sono la causa della granulazione che è possibile vedere sulla fotosfera con un modesto ingrandimento: le zone chiare sono quelle a temperatura più elevata delle zone scure. La parte più esterna, con temperatura scesa sotto i 10.000°, arriva fino alla fotosfera.

LA FOTOSFERA - E' costituita da un sottile strato di circa 600 km (1/1.000 del raggio solare); essendo così sottile appare dalla Terra come una superficie senza spessore. Ha la temperatura di circa 6.000° e da qui viene irradiata la luce e tutta l'energia. E' stato calcolato che l'energia prodotta nel nocciolo impiega circa un milione di anni per raggiungere la superficie, dopo un numero incalcolabile di riflessioni negli strati interni, più densi e non trasparenti. Possiamo dire che la luce, che raggiunge la Terra dal Sole in 8 minuti, è partita dal nucleo un milione di anni fa (più 8 minuti). Nella fotosfera sono visibili (non sempre) le macchie solari, che appaiono nere sullo sfondo luminoso; si tratta di zone più fredde che si formano durante i periodi di maggiore attività del Sole; questa attività cresce e decresce quasi regolarmente con un periodo di circa 11 anni. Osservando le macchie solari già Galileo poté determinare il periodo di rotazione del Sole su se stesso, che è di circa 25 giorni (terrestri). Nella fotosfera si producono anche i flare (brillamenti in italiano): sono dei lampi che in pochi minuti si estendono fino a 1 miliardo di km2: probabilmente derivano da brusche interruzioni di intensi campi magnetici. I brillamenti sono la causa delle aurore boreali, spettacolo stupendo visibile ad occhio nudo nell'atmosfera terrestre alle alte latitudini.

Nel 1955 si è scoperto che la fotosfera pulsa regolarmente con un periodo di 5 minuti: si tratta di onde sonore - prodotte dal gas che ribolle nella zona convettiva - che vengono riflesse alternativamente tra la superficie ed il centro provocando il ritmico alzarsi ed abbassarsi di zone contigue della fotosfera. Le zone che si abbassano sono in colore rosso mentre quelle che si sollevano sono colorate in azzurro. I due tipi di zone si alternano regolarmente ma possono assumere configurazioni di disegni differenti.

LA CROMOSFERA - E' uno strato più spesso di 10.000 km, non visibile in luce bianca perché viene offuscata dalla sottostante fotosfera, che è molto più luminosa. Si può osservare con un filtro speciale che lascia passare la sua luce rossa e taglia la luce bianca della fotosfera; in questo modo si scorgono tanti piccoli getti di gas in continua agitazione, che appaiono come fiammelle e che padre Secchi definì "la prateria infuocata". Dalla cromosfera si levano a volte le protuberanze, uno spettacolo impressionante visibile soltanto con gli speciali filtri; si tratta di immensi getti di idrogeno che si innalzano velocissimi dal bordo solare e s'incurvano seguendo le linee dei campi magnetici; possono raggiungere anche le dimensioni di un raggio solare; quando si formano lontani dal bordo si proiettano sulla superficie come filamenti.

LA CORONA - E' un alone estremamente rarefatto che sfuma nello spazio interplanetario e del quale è difficile dire dove termini. La sua luminosità è appena un milionesimo di quella della fotosfera, per cui è visibile soltanto durante le eclissi totali di Sole oppure usando uno strumento inventato apposta, il coronografo, che maschera la luminosità del disco solare. La forma della corona varia secondo il ciclo dell'attività solare: al massimo è quasi circolare mentre al minimo si allarga in corrispondenza dell'equatore solare.

OSSERVARE IL SOLE

Il Sole può essere osservato anche senza strumenti ottici oppure con un normale binocolo: è però assolutamente necessario ricordare che l'osservazione diretta può provocare danni permanenti alla vista

Un modo soddisfacente e sicuro è stato inventato da Galileo: il cannocchiale viene puntato verso il Sole in modo da proiettarne l'immagine, ad una certa distanza, su un foglio bianco. Può essere usato anche un binocolo con un obbiettivo otturato; è utile montare intorno allo strumento ottico uno schermo che faccia ombra sul foglio. Il Sole può essere anche guardato direttamente attraverso un filtro: filtri sicuri sono quelli costruiti appositamente in Mylar (un sottile foglio di plastica alluminata) oppure i vetri da saldatore, più robusti e maneggevoli. Questi filtri possono anche essere applicati al binocolo, purché siano saldamenti assicurati per evitare distacchi accidentali e conseguenti lesioni alla retina.

   
  
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