05/08/20

Noi non ci saremo... **

Questo articolo scende nei particolari della vita del Sole durante la sua permanenza nella sequenza principale. Un periodo di tempo inteso sempre come di pace assoluta. Per il Sole sicuramente, a parte piccoli aggiustamenti, ma non per un pianeta come la Terra. Anche se le motivazioni erano diverse, la faccenda ricorda molto la celebre canzone di Francesco Guccini... Ringrazio di vero cuore Frank che mi ha ricordato questa dimenticanza nel suo prezioso commento.

Chiamiamola pure sequenza principale, diciamo pure che il motore del Sole gira perfettamente, confermiamo che l'equilibrio idrostatico si mantiene con estrema precisione, ma non dobbiamo illuderci che il Sole resti proprio sempre lo stesso. Troppo spesso si dice: "la Terra brucerà quando il Sole uscirà dalla sequenza principale e diventerà una gigante rossa". Ciò farebbe pensare che la Terra possa stare tranquilla almeno per altri 4 miliardi di anni... Eh no, cari terrestri la faccenda non è così semplice! Studiamola più da vicino.

Innanzitutto diciamo che la sequenza principale non è una linea, uno stretto viottolo di campagna che non lascia spazio a destra o a sinistra. Essa è una vera autostrada e il Sole si sposta al suo interno, andando verso luminosità sempre maggiori. Piccoli movimenti rispetto al percorso che ha fatto nel diagramma HR prima di nascere e di quello che farà tra 4-5 miliardi di anni, ma estremamente "pesante" per la nostra Terra e i suoi abitanti...

Dalla sua nascita, circa 4.5 miliardi di anni fa, la luminosità del Sole è aumentata continuamente anche se in modo molto contenuto. In ogni modo, oggi è il 30% più luminoso di allora. Ma come? Non è in sequenza principale? E allora il motore dovrebbe essere perfetto e mantenere un perfetto equilibrio idrostatico. In realtà è proprio quello che vuole fare il Sole e ci riesce anche, ma per riuscirci deve aumentare il ritmo col quale riesce a trasformare idrogeno in elio. Quello che capita, in parole molto rozze, è che, a mano a mano che il carburante (l'idrogeno) si consuma, maggiore è la quantità di esso che è necessaria per mantenere l'equilibrio. E' un po' come se la nostra automobile consumasse sempre di più allo scendere del livello della benzina.

Il motore del Sole, però, funziona in modo un po' diverso dalle auto e vi è uno stretto legame tra tre grandezze fondamentali: la luminosità, il raggio e la temperatura. Questo legame  è quello che permette l'equilibrio idrostatico, ossia un equilibrio perfetto tra forza di gravità che tende a schiacciare il nucleo e il nucleo che produce energia in grado di contrastarla. E' la legge di Stefan-Boltzmann:

C = R2T4/L

C può rimanere costante (equilibrio) anche variando un poco i parametri presenti sulla destra dell'uguaglianza. In  particolare, notiamo che basta un aumento di un fattore due nella temperatura per rendere necessario un aumento di un fattore sedici nella luminosità. E senza considerare anche la possibile variazione del raggio che, in realtà, continua a "ballare". Insomma, sembra facile stare per tanti miliardi di anni nella sequenza principale, ma non lo è affatto e la costanza di C causa una sensibile  variazione dei parametri di destra. In particolare, noi che viviamo sulla Terra siamo particolarmente interessati alla luminosità, che è quella che può cambiare drasticamente le condizioni di abitabilità. La stella fa il suo dovere e il suo motore è perfetto, ma gli effetti devono per forza cambiare. Per saperne di più posso consigliare il mio vecchio libro sul diagramma HR, Il Gioco delle Stelle.

Entriamo nei particolari, anche se il processo è decisamente meno semplice di quanto possa cercare di esporre (ricordiamoci della metallicità di una stella e del suo campo magnetico, ad esempio).

Nella Figura si vede bene come nella fase in cui il Sole sta nella sequenza principale ci sia comunque un aumento della sua luminosità e del suo diametro. Sembra poca cosa, ma per la Terra basta e avanza...

Il punto chiave è che la fusione nucleare, ossia la produzione di energia capace di bloccare lo schiacciamento dovuto alla gravità, avviene solo nella parte più interna della stella, dove la temperatura è sufficientemente alta. In altre parole, tutto capita in un nucleo centrale, decisamente più piccolo dell'intera stella (circa il 20%). Il nucleo, ovviamente, non può rimanere sempre uguale nel corso dei miliardi di anni in cui si mantiene l'equilibrio idrostatico. Un po' alla volta l'idrogeno si consuma e si trasforma in elio, una "zavorra" che non collabora, ma che riesce a concentrarsi in un volume più piccolo di quello occupato dall'idrogeno. Ne segue che il volume del nucleo, composto da benzina ancora utilizzabile (idrogeno) e benzina ormai inerte (elio), si riduce. Ciò causa una maggiore densità, ma anche un aumento della pressione causata dalla gravità di tutta la stella su un nucleo diventato più piccolo.

In poche parole, il nucleo  subisce una forte contrazione e per potere bilanciare la gravità deve produrre una quantità maggiore di energia, ossia rendere più efficiente la fusione dell'idrogeno rimasto. Proprio come dicevamo prima: meno benzina e maggior consumo. Aumentando la produzione di energia aumenta anche la temperatura degli strati esterni della stella e, quindi, la  luminosità. In qualche modo,  la fusione ha respinto la gravità e ha rilasciato una luminosità maggiore.

Ne segue che anche il raggio aumenta, ossia la stella si  gonfia. A noi terrestri magari interessa poco che il Sole sia diventato un po' più grande, ma che sia diventato più luminoso interessa e come, dato che maggiore luminosità vuol dire maggior calore prodotto sulla Terra. Maggior calore vuole dire maggiore evaporazione degli oceani e aumento del "vero" effetto serra. Il riscaldamento globale, quello vero, non si riesce a fermare. Se non ci credete chiedete a Venere che ha già dimostrato cosa può fare un aumento di luminosità del Sole...

La stella, però, non può gonfiarsi più di tanto, dato che il nucleo continua a ridursi in volume, permettendo agli strati stellari più esterni di ricadere verso di lui cercando di comprimerlo sempre più. Beh... ormai il gioco lo conosciamo. Maggiore compressione, maggiore consumo di carburante e ancora una volta il pericolo è scongiurato e la stella torna a gonfiarsi. E via dicendo... fino a che c'è idrogeno nel nucleo. Poi le cose cambiano drasticamente e si deve cominciare a bruciare anche l'idrogeno dello strato adiacente al nucleo. La legge di Stefan- Boltzmann fa fatica a rimanere valida e, per cercare di riuscirci, alla fine deve anche fondersi l'elio (ha finito di starsene a vedere la fatica dell'idrogeno, mentre lui se la gode in tutta tranquillità). Ma ormai la stella è uscita dalla sequenza principale e per i terrestri è già tanto tempo che la cosa non interessa più "direttamente".

Ricordiamo ancora che non solo la fusione nucleare consuma sempre più benzina a mano a mano che si riduce l'idrogeno del nucleo, ma lo fa sempre più velocemente. In parole "schiette", la luminosità e il calore prodotto sulla Terra aumentano sempre più rapidamente: ciò che è capitato nei primi 4.5 miliardi di anni, verrà fatto in molto minor tempo. Non speriamo, perciò, di essere a metà della vita sulla Terra, anche se il Sole è a metà della sua vita in perfetto equilibrio idrostatico!

Diamo un po' di numeri...

Il nucleo solare si mangia circa 600 milioni di tonnellate di idrogeno ogni secondo (ossia lo trasforma in elio). Ma, mentre fa questo, produce anche  4.3 1027 Watt, che corrispondono proprio alla perdita di massa tra l'idrogeno di partenza e l'elio finale (Einstein ce l'ha detto che massa ed energia sono la stessa cosa!). Per essere esatti (o quasi) 4 milioni di tonnellate di materia finiscono in energia. Essa non ci colpisce subito, ma deve aver tempo di attraversare il resto del Sole e per far questo impiega dai 10 000 ai 150 000 anni per riuscire a scappare verso lo spazio (e verso di noi). In altre parole, noi siamo raggiunti oggi dalla luce che è nata molte migliaia di anni fa all'interno del nucleo solare. Sembra tanto, ma è solo un attimo per la vita della nostra stella.

Da quanto è nato, il Sole ha consumato  una massa pari a 100 volte la massa della Terra. Tutta materia trasformata in energia. Allo stato attuale, questo fatto comporta un aumento di luminosità dell'ordine di 1% ogni 100 milioni di anni, ma le cose si sveltiscono sempre di più. Diamo, perciò, un occhiata al futuro...

Tra circa 1 miliardo di anni il Sole sarà circa il 10% più luminoso di adesso. Più che sufficiente per innescare un effetto serra pari a quello che ha portato Venere a scaldarsi un po' troppo. In 3.5 miliardi di anni avrà raggiunto il 40%. A questo punto gli oceani cominceranno a bollire, il ghiaccio scomparirà dappertutto e il vapor d'acqua sarà strappato dalla Terra come è successo per Venere. Poi il Sole, deciderà di uscire dalla sequenza, ma come diceva la celebre canzone: "Noi non ci saremo" già da molto tempo.

Possiamo anche fare delle stime.

Tra circa 500 milioni di anni le condizioni di vita saranno impossibili per tutti tranne che per le creature molto semplici. Si potrebbe dire: "Beate loro, senza l'homo sapiens sapiens staranno molto meglio". Non è proprio così, dato che dovranno sopportare temperatura sempre più alte, paragonabili a quelle di Venere. Forse tutta la vita sparirà tra un miliardo e mezzo di anni. Non siamo, quindi, a metà vita terrestre, ma molto più vicini alla sua fine che al suo inizio. Ovviamente, l'uomo riuscirà a scomparire ancora prima  per altri motivi...

Quello sì che sarà un Riscaldamento Globale!

 

QUI tutti gli articoli sulla rappresentazione dell'evoluzione stellare tramite il diagramma HR

 

9 commenti

  1. Mario Fiori

    Perfettamente chiaro caro Enzo. Il Sole è a metà vita, circa, l'Uomo quasi a fine e poco dopo l'intera vita biologica. Resta sempre affascinante capire e scoprire questi meccanismi e capire anche quanto sia sciocco arrovellarsi , contrastarci tra noi e via dicendo, difronte alla Natura, all'Universo.

  2. maurizio rovati

    Hakuna matata! Possiamo schermare la Terra ed aumentarne l'albedo quanto basta a compensare l'aumento di radiazione. Poi possiamo deviare un grosso asteroide immettendolo in un'orbita che ci permetterà (lentamente, ci vogliono milioni di anni e migliaia di passaggi) di prelevare energia potenziale dalle orbite di Marte e Giove per darla alla Terra, così mentre loro si avvicineranno al Sole la Terra se ne allontanerà abbastanza da rimanere al sicuro.

  3. Potremmo anche andarcene su Europa... sai che vista! :-P

  4. Frank

    Enzone faccio fatica a immaginare la progressione. Riguardo il nucleo dove avviene la reazione termonucleare, si ha un mix di elio idrogeno con l'elio tendente ad aumentare e quindi che modera la reazione sottraendo spazio all'elio o l'elio tende a  formare un globo interno di solo elio precipitato quindi "rubare" spazio all'idrogeno nella zona utile o forse tutte e due le cose? Mi viene difficile immaginare che l'elio caldo quanto l'idrogeno tenda a separarsi e precipitare verso il centro senza "reclamare".

    Dove hai scritto: "E' la legge di Stefan-Boltzmann" metti il collegamento a: http://www.infinitoteatrodelcosmo.it/2014/10/21/s4-un-corpo-nero-molto-colorato/

  5. Caro Frankino,

    cerchiamo di essere schematici: il nucleo è diviso in due: la parte più interna è la più pesante, ossia è formata dall'elio. Essa cresce a mano a mano che l'idrogeno si trasforma, mentre diminuisce la parte esterna che rimane di solo idrogeno (una cipolla come l'interno della Terra con il ferro e il nichel a centro). Ma l'elio occupa meno volume dell'idrogeno e quindi la densità del nucleo aumenta. Il nucleo si riduce in volume e la gravità che lo schiaccia aumenta (diminuisce il raggio del nucleo, ossia la distanza della parte esterna al nucleo rispetto al centro del nucleo (baricentro)), a parità di massa o quasi. Abbiamo uno schiacciamento che deve essere bilanciato per l'equilibrio idrostatico. Aumenta perciò l'efficienza della fusione, la temperatura aumenta nel nucleo e la stella in generale tende a dilatarsi. Nel far questo aumenta anche la radiazione che emette, ossia aumenta la sua luminosità. Fino ad ora, però, il nucleo contiene ancora abbastanza idrogeno (esterno all'elio inerte) per continuare il giochino. Il momento critico si ha quando l'idrogeno del nucleo si esaurisce e la gravità ha buon gioco a vincere sulla fusione che sta finendo. La contrazione, però, fa aumentare la temperatura che riesce a bruciare uno strato di idrogeno adiacente al nucleo composto ormai dal solo elio. La nuova sorgente di fusione dilata enormemente la stella cercando di rimettere tutto in equilibrio. In qualche modo ci riesce, ma ormai l'equilibrio è decisamente instabile e la stella è giù uscita dalla sequenza principale ...

  6. Frank

    Grazie Enzo, mi vengono altre domande ma prima di sparare qualche stupidata cerco le risposte in altri articoli del circolo, poi se proprio non ne vengo a capo ti tocchera......

  7. maurizio rovati

    Vincenzo Zappalà
    "Potremmo anche andarcene su Europa... sai che vista!"

    Ottima idea, ma prima ci facciamo crescere le branchie... :idea:

  8. perché non ce l'hai già? Io è da un po' che ho cominciato a vivere sott'acqua :mrgreen:

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