Riccioli d’oro e i tre pianeti

È di questi giorni la notizia che un team internazionale di ricercatori, grazie ad osservazioni condotte con telescopi terrestri e spaziali, ha scoperto che la stella Trappist-1, una piccola e relativamente fredda nana rossa,  ospita nella sua fascia di abitabilità almeno sette pianeti rocciosi di dimensioni simili alla Terra. Questi sette pianeti potrebbero avere, quindi, acqua liquida sulla loro superficie, condizione compatibile con la vita.

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In particolare, tre di questi sembra abbiano condizioni di irraggiamento da parte della stella centrale simili a quelle che Venere, Terra e Marte ricevono dal nostro Sole e se hanno un’atmosfera simile a quella della Terra potrebbero persino avere oceani sulla superficie. Questi pianeti possono essere considerati pianeti Goldilocks, talvolta tradotto in italiano pianeti Riccioli d’oro, ossia pianeti che si trovano nella zona abitabile di una stella o di un sistema stellare e che hanno caratteristiche tali da lasciar supporre l’esistenza di acqua liquida sulla sua superficie e, quindi, dotati di caratteristiche fisiche, chimiche e ambientali favorevoli allo sviluppo della vita

Il nome Goldilocks deriva proprio dalla fiaba Riccioli d’oro e i tre orsi , dove una bambina dai riccioli biondi, Riccioli d’oro appunto, entra di nascosto nella casa di tre orsi e si trova a suo agio solo quando trova della zuppa “né troppo fredda né troppo calda”, o un letto per dormire “né troppo grande né troppo piccolo”, ossia quando le condizioni che trova sono “giuste” per lei.

Allo stesso modo, un pianeta Goldilocks è un pianeta che non si trova né troppo vicino né troppo lontano da una stella ma alla “giusta” distanza che gli consente di avere acqua liquida sulla sua superficie, elemento fondamentale per la presenza di vita così come la conosciamo. Questo termine viene utilizzato, in particolar modo, per i pianeti con dimensioni simili a quelle della Terra, che è il miglior esempio di pianeta Goldilocks.

ENGAGE 

La notizia arriva proprio al momento giusto e mi serve su un piatto d’argento la possibilità di affrontare il tema dell’abitabilità di un pianeta con la mia prima (perfetto anello di congiunzione tra l’astronomia, le scienze della Terra, la chimica e la biologia – in altre parole astrobiologia). Per prima cosa ho intenzione di cominciare con un brainstorming per far emergere ciò che i miei ragazzi sanno (o pensano di sapere) sull’abitabilità:

Cosa rende un pianeta abitabile?

Quali condizioni sono necessarie perché la vita si sviluppi e sopravviva?

Durante la discussione, i ragazzi probabilmente identificheranno alcuni dei fattori che influenzano l’abitabilità e rifletteranno sul modo in cui questi sono interconnessi.

Il concetto di abitabilità continua ad essere rifinito. Gli scienziati stanno ancora studiando quali sono i fattori di cui la vita ha bisogno e in che modo la Terra supplisce a queste richieste. Le continue scoperte di nuove forme di vita stanno costantemente migliorando la nostra comprensione dei limiti della vita e di ciò che permette alla vita di cominciare e prosperare.  Interromperemo per qualche minuto la discussione per vedere il video: vita in condizioni estreme  o un altro video simile.

Proseguendo la discussione:

Qual è il range di temperatura giusto per la vita?

Di quale tipo di atmosfera ha bisogno la vita?

La vita ha bisogno d’acqua?

Le dimensioni di un pianeta sono importanti?

Oltre alla Terra, quali pianeti o satelliti del nostro sistema solare potrebbero essere abitabili? Perché?

Con le parole chiave emerse durante la discussione realizzeremo una mappa concettuale che sarà utile successivamente per riflettere su quanto imparato. Molto probabilmente, i fattori legati all’abitabilità che emergeranno saranno molti ma sono abbastanza certa che tra questi ci saranno: acqua liquida, o semplicemente acqua, materie prime ed energia. Per quanto riguarda, invece, il modo in cui un pianeta, o un satellite, potrebbe fornire i fattori di abitabilità agli organismi che ci vivono le risposte potranno essere varie ma dovrebbero riuscire a dire che, per esempio, un pianeta può fornire energia nella forma di una preda, di sostanze chimiche provenienti da sorgenti idrotermali  o dalla luce del Sole.

EXPLORE

La classe è digitale per cui i ragazzi si collegheranno con il loro dispositivo al sito del Laboratory for Atmospheric and Space Physics dove potranno scaricare un’applicazione interattiva con cui esploreranno le caratteristiche di  tre pianeti studiati in classe, Terra, Marte e Venere: Goldilocks and the three planets (Riccioli d’oro e i tre pianeti). Nell’attività proposta i ragazzi vestiranno i panni degli scienziati del team Goldilocks che deve studiare Terra, Venere e Marte per risolvere il seguente problema di “Riccioli d’oro”: perché Venere è troppo calda, Marte troppo freddo e la Terra ha invece la temperatura giusta per avere acqua liquida?

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La Terra è l’unico pianeta del Sistema solare che sostiene la vita e ha una grande quantità d’acqua. Cosa la rende così perfetta per la vita? Ci sono alcuni fattori ma uno di questi è l’effetto serra.

I gas serra mantengono una temperatura vivibile sul nostro pianeta intrappolando la radiazione termica del Sole. Senza l’effetto serra la temperatura del globo sarebbe più fredda, in media, di 16° C. Durante la missione i ragazzi useranno i dati raccolti dal satellite Nimbus 4.

La radiazione che proviene dal Sole raggiunge la Terra. Una parte viene riflessa nello spazio, una parte viene assorbita dall’atmosfera dalle molecole di gas e la rimanente si trasmette attraverso l’atmosfera sulla superficie terrestre. Parte della radiazione che colpisce la superficie della Terra viene riflessa e la parte restante viene assorbita dalla Terra in forma di calore contribuendo, così, al suo riscaldamento. La radiazione solare scalda la Terra e questo calore viene emesso in forma di radiazione infrarossa. Parte di questa radiazione infrarossa viene assorbita dai gas serra che irradiano nuovamente parte dell’energia verso la Terra intrappolando il calore nella parte bassa dell’atmosfera. Il resto sfugge verso lo spazio. La radiazione infrarossa riemessa riscalda ancora un po’ la Terra. Questo meccanismo ciclico si ripete mantenendo la Terra più calda di quanto sarebbe se non ci fossero i gas serra.

Venere è un esempio di pianeta con un effetto serra molto intenso. La sua superficie è così calda che nessun lander è riuscito a rimanere operativo per più di poche ore prima che le attrezzature venissero distrutte! Venere è sempre coperta da uno spesso strato di nubi e la sua superficie non è visibile senza apparecchiature radar. Si pensa che Venere una volta avesse l’acqua ma ora la sua superficie è asciutta e ostile. Durante la “missione” su Venere, i ragazzi utilizzeranno i dati raccolti dalla sonda  Venera 15 e da Venus Express.

Venere non sarebbe un bel posto da visitare. La densa atmosfera ci schiaccerebbe se cercassimo di stare in piedi sulla sua superficie. La sonda Magellano ha scattato delle immagini usando apparecchiature radar che permettono di vedere attraverso lo spesso strato di nuvole che normalmente nasconde la superficie rocciosa. A causa dell’elevata densità delle nubi, la pressione atmosferica sulla sua superficie è 90 volte quella della Terra. Per la spessa copertura nuvolosa è impossibile per vederne la superficie nello spettro della luce visibile. La parte superiore dell’atmosfera è ricoperta da nubi di acido solforico che produce una pioggia acida che evapora ancora prima di raggiungere la superficie estremamente calda del pianeta.

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Marte è un pianeta arido e desolato ma gli scienziati hanno evidenze che una volta l’acqua liquida scorresse sulla sua superficie e sospettano anche che l’atmosfera di Marte fosse più spessa quando il pianeta era più caldo. Gli scienziati stanno esplorando l’atmosfera, la superficie e il sottosuolo di Marte per determinare se la vita sia esistita in passato o se esiste ancora oggi nel sottosuolo. Durante la missione i ragazzi useranno i dati raccolti dalla sonda Mariner 9 e Mars Reconnaissance Orbiter .

La superficie di Marte appare desertica con frequenti tempeste di sabbia e vortici di polvere.

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La “missione” consiste nell’analisi dei dati delle missioni su Venere, Terra e Marte per comprendere perché questi pianeti sono così diversi tra loro. I ragazzi osserveranno gli spettri di ciascun pianeta e li confronteranno con gli spettri di elementi come ozono, acqua, monossido di carbonio, anidride carbonica, metano e ossido nitrico, cercando possibili corrispondenze.

Una volta scelto un pianeta, ad esempio la Terra, dovranno scegliere un intervallo di lunghezze d’onda dello spettro dell’atmosfera della Terra per analizzarlo. Poi, per ciascun range proposto, confronteranno lo spettro dell’atmosfera di Venere con quello di ozono, acqua, monossido di carbonio, anidride carbonica, metano e ossido nitrico per vedere se combaciano. Ad esempio, nel range 1 lo spettro dell’atmosfera della Terra, di Venere e Marte combaciano con quello dell’anidride carbonica, presente quindi nell’atmosfera. Nel range 2 per la Terra c’è corrispondenza con lo spettro di ozono, anidride carbonica e acqua, mentre per Marte e Venere corrisponde solo quello dell’ anidride carbonica.

Confrontare i pianeti 

Marte è troppo freddo, Venere è troppo caldo, ma la Terra ha la temperature giusta per supportare la vita. Venere ha dimensioni simili a quelle della Terra ma è più vicino al Sole e non presenta vita a causa delle temperature superficiali estremamente alte in grado di far fondere facilmente il piombo (fino a 475°C!). Marte, più piccolo della Terra ma più lontano dal Sole, ha un ambiente che è troppo freddo e difficile per sostenere la vita sulla sua superficie.

Le osservazioni mostreranno che l’anidride carbonica è parte dell’atmosfera di tutti e tre i pianeti. Per scoprire perché Venere e Marte sono diversi dalla Terra, i ragazzi confronteranno la quantità di anidride carbonica su ciascun pianeta. Per prima cosa, determineranno la massa dell’atmosfera di ciascun pianeta rispetto a quella della Terra. Poi, determineranno la massa della CO2 in ciascuna atmosfera e confronteranno queste quantità.

Nell’applicazione, la massa dell’atmosfera della Terra viene indicata dalla sigla Me. mettendo a confronto la massa dell’atmosfera di Venere con quella della Terra, risulterà che l’atmosfera di Venere è 90 volte maggiore di quella della Terra, così si potrà dire che la massa dell’atmosfera di Venere è uguale a 90Me.

Facendo la stessa cosa per Marte, risulterà che l’atmosfera di Marte è 0,0095 Me.

Poi si metterà a confronto la massa della CO2 nell’atmosfera di ciascun pianeta. Solo lo 0,04% dell’atmosfera della Terra è composta da CO2, poiché la massa dell’atmosfera della Terra è indicata con Me, la massa della CO2 nell’atmosfera terrestre sarà 0,0004 Me. L’atmosfera di Venere è composta al 97% da CO2. Poiché la massa dell’atmosfera di Venere è 90 Me, allora la massa della CO2 nell’atmosfera di Venere sarà uguale a 0.97 x 90 Me = 87.3Me. Il 95% dell’atmosfera di Marte è composto da CO2 ma la massa dell’atmosfera di Marte è 0,0095 volte quella della Terra per cui la massa della CO2 nell’atmosfera di Marte è 0.009 Me.

Fatto ciò, i ragazzi confronteranno la quantità di CO2 nell’atmosfera di Venere con quella della Terra. Calcoleranno questo rapporto dividendo la quantità di CO2 nell’atmosfera di Venere per quella della Terra e scopriranno che la quantità di CO2 nell’atmosfera di Venere è circa 218250 volte quella della Terra (87.3 Me : 0,0004 Me = 218.250 arrotondato). Ripeteranno l’operazione con Marte e otterranno che la quantità di CO2 su Marte è circa 23 volte quella presente nell’atmosfera della Terra.

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Debriefing

Venere, nella sua atmosfera, ha oltre 200000 volte più CO2 della Terra! Questo sembrerà aver senso visto che abbiamo imparato che i gas serra riscaldano un pianeta e Venere, in effetti, è caldissima. Ma Marte ha molta più CO2 della Terra. Questo ha senso?

La temperature superficiale media di Venere è circa 462 ˚ C (troppo calda), quella di Marte è    -60 ˚ C (troppo fredda), quella della Terra è circa 15 ˚ C (giusta!). Ma anche se Marte ha più CO2 della Terra è molto più freddo. A questo punto apparirà chiaro che probabilmente la CO2 non è l’unica fattore che determina la temperatura di un pianeta.

I ragazzi osserveranno, quindi, le distanze di ciascun pianeta dal Sole per vedere se c’è una correlazione tra distanza e temperatura del pianeta. Scopriranno, così, che Venere dista circa 108 milioni di km dal Sole, la Terra dista circa 150 milioni di km dal Sole, mentre Marte dista circa 230 milioni di km dal Sole.

A questo punto i ragazzi, basandosi sulle evidenze raccolte, dovranno formulare e argomentare una risposta alle seguenti domande e presentarla alla classe:

Anche se Marte ha molta più CO2 della Terra nella sua atmosfera ha una temperatura superficiale media più fredda di circa -60 ˚ C. Marte ha più CO2 della Terra ma molto meno di Venere. Perché pensate che la temperatura di Marte sia molto più bassa di quella della Terra? Quali fattori influenzano la temperatura di un pianeta?

EXPLAIN:

I ragazzi arriveranno così a comprendere che Venere ha troppi gas serra nella sua atmosfera e una superficie caldissima. Marte, invece, è troppo piccolo per avere un calore interno e di conseguenza non nemmeno ha vulcani attivi che pompano gas serra nell’atmosfera. Senza effetto serra il pianeta, distante dal Sole, rimane freddo. La Terra ha acqua, vulcani e un ciclo del carbonio funzionante così la sua temperatura rimane moderata.

Quali sono le zone abitabili nel nostro sistema solare?

Per decadi, gli scienziati hanno dibattuto il concetto di zona abitabile, la regione intorno ad una stella che può sostenere la vita. Finché non scopriremo forme di vita su altri pianeti, questa speculazione continuerà per capire se la zona abitabile del sistema solare si estende molto al di là della Terra.

Se definiamo un pianeta, o un satellite, abitabile come un luogo dove la temperatura permette la presenza di acqua liquida, allora la Terra sarebbe l’unico nel nostro sistema solare in cui sia possibile la vita. Tuttavia gli astrobiologi hanno una definizione diversa per definire una zona abitabile. Alcuni scienziati, infatti, usano il concetto di zona abitabile continua (continuously habitable zone – CHZ) che è basata sull’idea che la radiazione di una stella diminuisce nel tempo. Di conseguenza, durante la vita di una stella la zona abitabile si espande. Considerando le “aspettative di vita” del nostro Sole, ad esempio, la Terra sarà  fuori dalla sua zona abitabile continua in un periodo di tempo che va da 1 a 3,5 miliardi di anni.

Più impariamo sulla vita, però, più la definizione di abitabilità cambia. Per esempio, la zona abitabile per gli eucarioti sembra abbastanza diversa da quella dei procarioti. I procarioti hanno bisogno di condizioni meno specializzate degli eucarioti. Possono sopravvivere senza ossigeno, vivono in condizioni estreme, usano fonti inorganiche di energia, necessitano di quantità minime  di materie prime e possono rimanere dormienti per secoli. Con questo in mente, alcuni scienziati definiscono altri due tipi di zone abitabili. La prima, la zona abitabile animale è quella che sostiene la complessa vita eucariotica. La seconda, la zona abitabile microbica, è quella che sostiene la molto più versatile e adattabile vita procariotica, come ad esempio gli estremofili.

Quando si considera una zona abitabile che possa supportare solo la vita microbica, le dimensioni della zona abitabile nel nostro sistema solare si espandono. Così, le ricerche attuali della presenza di vita ci portano più lontano verso le lune di Giove. Questi satelliti hanno temperature superficiali che non permettono la presenza di acqua liquida ma hanno altre condizioni che possono permettere l’esistenza di acqua liquida sotto la superficie. Tali condizioni potrebbero fornire gli elementi essenziali necessari per le richieste più basilari dei procarioti.

Molti fattori influenzano l’abitabilità.

Gli scienziati hanno capito che la distanza dal Sole è uno dei fattori che determina l’esistenza di acqua liquida sulla superficie di un pianeta o di un satellite. Per esempio, la presenza di un’atmosfera densa che contenga gas serra può estendere le dimensioni di una zona abitabile. Una tale atmosfera può intrappolare il calore e aumentare la temperatura di un pianeta, o satellite, fino a un range in cui l’acqua liquida può esistere sulla superficie. Così, una temperatura superficiale di un pianeta è il risultato sia della composizione della sua atmosfera che della distanza dal Sole. Questo significa che quando si cerca di definire una zona abitabile, bisogna tenere presente che l’abitabilità è il risultato delle interazioni tra molti fattori. Usando tutti i dati disponibili, gli scienziati speculano su quali fattori sono presenti in un pineta, o satellite, e formulano teorie sul modo in cui tali fattori interagiscono. Questo processo aiuta gli scienziati a definire le zone abitabili del sistema solare.

La Terra  è perfetta per la vita

La Terra sembra essere il luogo ideale per la vita nel nostro sistema solare. Se la Terra è considerata ideale, allora identificare una zona abitabile diventa una questione che riguarda il definire le condizioni minime che possono sostenere le cellule più semplici. Sulla Terra, queste cellule sono gli estremofili perché gli scienziati ritengono che possano essere simili alle forme di vita che possono resistere alle condizioni che ci aspettiamo di trovare in altri mondi nel nostro sistema solare. Definire una zona abitabile in questo modo può aiutarci a indirizzare le missioni spaziali mentre cerchiamo la vita su altri pianeti.

Tuttavia, la nostra comprensione della vita è ancora limitata e la nostra conoscenza delle condizioni presenti su altri pianeti o satelliti ancor di più. Definire una zona abitabile è proprio un modo per cominciare a pensare a dove cercare la vita. Mentre impariamo sulla vita, possiamo capire che dovremmo definire le zone abitabili sulla base della estremamente adattabile natura della vita e meno ai nostri tentativi di identificare fattori di abitabilità.

Siamo soli nell’universo?

Ormai è chiaro che non c’è un singolo fattore che rende un mondo abitabile, l’abitabilità è il risultato di molti fattori collegati tra loro che devono essere presenti in un modo che sostenga la vita.  In queste circostanze e con la giusta combinazione di acqua liquida, materie prime, energia e tempo, un pianeta, o un satellite, potrebbe essere in grado di sostenere una grande diversità di vita, come nel caso della Terra. per quanto riguarda altri mondi nel nostro sistema solare, data la limitata comprensione che abbiamo sulle condizioni che ci sono lì, possiamo solo speculare sulla presenza di vita ed è ciò che gli astrobiologi fanno.

 

ELABORATE

A questo punto, per casa, chiederò agli studenti di riflettere su quanto hanno imparato, identificare i confini della zona abitabile del sistema solare, quali sono i pianeti che si trovano nella zona abitabile e prepararsi a discutere in classe la possibilità di una seconda zona abitabile intorno ad un pianeta grande come Giove.

 

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