IL SOLE
di Claudio Zellermayer

Foto del Sole con protuberanza di 330.000 miglia eseguita
dagli astronauti della missione Skylab 3, nel 1973

Assieme alla Luna, il Sole è stato senza dubbio l’oggetto celeste più osservato dall’uomo fin dagli albori della civiltà. L’osservazione del Sole permetteva all’uomo di dare uno schema logico al fluire del tempo e di dominarlo prevedendo i fenomeni meteorologici ed evitando, quando ciò era possibile, di subirli. Naturalmente le prime osservazioni del Sole riguardavano i suoi movimenti nel cielo, ritenuti reali. La mancanza della sensazione del moto della Terra ha convinto l’uomo dell’immobilità della medesima e della concretezza dei moti dei corpi celesti, Sole compreso.

La costanza del moto del Sole ha permesso all’uomo quindi di trovare un modo per descriverlo, ad esempio segnandosi il punto dell’orizzonte dove questo sorge e tramonta.

I monumenti megalitici che si trovano in Inghilterra ed in Bretagna (Francia) servivano per traguardare proprio questi punti. Dalle osservazioni si notava e si nota tuttora che il Sole ogni giorno sorge in un punto dell’orizzonte diverso da quello del giorno prima ed analogamente al tramonto avviene la stessa cosa. Questa è la conseguenza del moto di rivoluzione della Terra attorno al Sole. Molto probabilmente noi oggi più che notare questo sorgere e tramontare in punti diversi dell’orizzonte notiamo l’allungamento ed accorciamento delle giornate, come effetto concreto del moto della Terra. Sostanzialmente i popoli primitivi o poco meno utilizzavano il Sole solo come calendario.

Bisogna attendere i Greci per avere i primi tentativi “scientifici” di studio del Sole e dei fenomeni connessi al medesimo. L’astronomo Anassagora, nel V secolo a.C. dà una prima valutazione della dimensione del Sole (“grande come il Peloponneso”) e ritiene che sia una sfera di roccia infuocata.
Tale affermazione deriva dal resoconto che gli era stato fatto del ritrovamento di un meteorite caduto. Aristarco nel IV secolo a.C. valuta la distanza Terra-Sole in funzione del raggio della Terra mediante ingegnose considerazioni geometriche.

Nel 1611 Galileo Galilei osserva col suo cannocchiale le macchie solari e le attribuisce correttamente al Sole e non al transito di piccoli corpi celesti, come era stato pensato in precedenza.

Negli ultimi 150 anni lo studio del Sole permette di ampliare le conoscenze sul medesimo e in particolar modo sul funzionamento delle stelle.

Moti apparenti del Sole e caratteristiche fisiche

Come accennato in precedenza, il Sole, visto da Terra possiede dei moti apparenti, legati chiaramente ai movimenti reali della Terra.

Per effetto della rotazione terrestre, noi ogni giorno vediamo il Sole spostarsi nel cielo grosso modo da est verso ovest descrivendo un tratto di circonferenza.
È sufficiente osservare l’ombra di un oggetto a brevi intervalli di tempo (ad es. mezz’ora) per notare questo spostamento del Sole.
Con questo principio funziona una meridiana che è un’asta metallica chiamata gnomone che durante il giorno proietta la sua ombra lungo una scala graduata dipinta su un muro rivolto verso il Sole.
Questo tipo di orologio solare, molto comune un tempo, si può vedere ancora in certe case di campagna.
Qui a Ravenna è possibile vederne una nel cortile dell’emeroteca.

Oltre al moto di rotazione, la Terra possiede un moto di rivoluzione attorno al Sole che per la sua estrema lentezza (occorrono 365 giorni per completare una orbita) non è possibile notare nel corso di una singola giornata. Ci si accorge di tale moto, come detto prima, con l’accorciamento o allungamento delle giornate durante il corso dell’anno oppure verificando la diversa posizione in cui sorge e tramonta il Sole ogni giorno.
In questo suo moto di spostamento lungo l’orizzonte, il Sole si viene a trovare esattamente ad est al sorgere ed esattamente ad ovest al tramontare solo in due occasioni all’anno: i giorni degli equinozi, cioè il 21 marzo ed il 22 settembre.
Altri due punti particolari in cui il Sole viene a trovarsi all’orizzonte corrispondono ai giorni dei solstizi. Il 21 giugno, solstizio d’estate, il Sole sorge nel punto più lontano dall’est in direzione nord (giorno più lungo dell’anno); il 21 dicembre, solstizio dell’inverno, il Sole sorge nel punto più distante dall’est, questa volta in direzione sud (giorno più corto dell’anno).

Un altro fenomeno legato ai movimenti della Terra, ed in questo caso anche della Luna, è il fenomeno delle eclissi di Sole.
La Luna nel suo moto attorno alla Terra può intercettare la congiungente Terra-Sole.
Se questo avviene, il disco lunare che ha le stesse dimensioni apparenti del disco solare, copre completamente il Sole, provocando appunto una eclisse di Sole. Dato che il piano che contiene l’orbita della Luna non coincide con quello che contiene l’orbita della Terra, il fenomeno delle eclissi non si presenta ad ogni Luna nuova, ma solo quando la linea di intersezione tra questi due piani coincide con la congiungente Terra-Sole. Se la coincidenza non è completa, allora si ha una eclisse parziale, cioè il disco lunare copre parzialmente quello del Sole.
Un simile fenomeno è stato visibile dall’Italia il 12 ottobre 1996. Una eclisse totale di Sole è stata visibile dall’Austria nell’agosto del 1999.

Il piano che contiene l’orbita della Terra attorno al Sole è chiamato eclittica.
La sua proiezione sulla sfera celeste quindi rappresenta il percorso annuale apparente del Sole nel cielo.
Le costellazioni che fanno da sfondo a questo riferimento celeste sono le famose dodici costellazioni zodiacali. Durante il corso dell’anno il Sole si viene a trovare nelle varie costellazioni dello zodiaco e noi diciamo ad esempio che “il Sole è nel Leone”, e ciò vuol dire che in quel momento dell’anno se di giorno potessimo vedere le stelle fisse il Sole avrebbe come sfondo le stelle della costellazione del Leone. Sarà quindi possibile vedere tale costellazione solo quando il Sole si sarà spostato da quella zona.

Utilizzando il metodo di Aristarco per calcolare la distanze del Sole, naturalmente tramite misure molto più precise di angoli, si giunge alla cifra media di 149.600.000 chilometri. Cifra media perché l’orbita della Terra non è una circonferenza perfetta, ma un’ellisse in cui il Sole occupa uno dei due fuochi. La distanza Terra-Sole sarà quindi variabile durante l’anno anche se questa variazione è piuttosto piccola confrontandola con la distanza complessiva.
Nota la distanza e misurato l’angolo attraverso cui noi vediamo il Sole, è possibile calcolare il diametro reale del medesimo.
Questo risulta essere circa 1.400.000 chilometri cioè poco più di cento volte il diametro della Terra.
Con questi dati è possibile calcolare anche la massa del Sole, nota la massa della Terra e il periodo di rivoluzione della medesima.
Risulta essere circa 300.000 superiore alla massa terrestre.
Noto il diametro si può calcolare il volume e assieme alla massa anche la densità media del Sole che risulta essere 1,41 grammi/centimetro cubo, poco più della densità dell’acqua.
Senza entrare in merito del metodo usato si può dire che la temperatura superficiale del Sole, cioè della sua “atmosfera” è di circa 5.800°K (gradi Kelvin. Lo 0°K è -273°C, gradi centigradi), mentre via via che si penetra all’interno del Sole questa cresce sino a raggiungere svariati milioni di gradi nel nucleo, dove c’è la fornace solare che è la fonte di produzione dell’energia.

Nascita del Sole

Il Sole, come tutte le altre stelle si è formato all’interno di una nebulosa diffusa, tipo la nebulosa di Orione, visibile ad occhio nudo nel cielo invernale, circa cinque miliardi di anni fa.
La nebulosa a sua volta si è frammentata in quelle che poi sarebbero state le singole stelle. Uno di questi frammenti, cioè una concentrazione di gas, idrogeno in particolar modo ed elio, si è via via addensato ed è cresciuto di massa.
La maggiore densità di materia che caratterizzava il protosole ha richiamato dell’altra materia per effetto dell’attrazione gravitazionale innescando un processo di aumento della massa e di conseguenza aumento del peso. La pressione della materia che cadeva su questa sfera di gas ha avuto l’effetto di scaldare ulteriormente il gas generando quello che in fisica si definisce equilibrio idrostatico: la gravità, dovuta alla massa, tende a schiacciare il gas e la pressione dovuta la riscaldamento tende ad espanderlo. Naturalmente la temperatura non era uniforme, ma maggiore nel nucleo.
Quando la quantità di materia caduta sul protosole è stata sufficiente perché la temperatura nel nucleo raggiungesse i milioni di gradi, si è innescato il processo di fusione nucleare ed il Sole, come stella compiuta ha iniziato la sua vita.
Era ed è necessario circa un decimo della massa solare affinché questo processo avvenga.
Prima dell’inizio della fusione nucleare il Sole già emetteva luce e quindi energia, solo che questa era dovuta solo alla compressione gravitazionale. Tale energia (o Vento Solare) è stata responsabile della formazione del Sistema Solare, nel senso che ha spazzato via tutta la materia che circondava i pianeti in formazione, lasciandoli soli e determinando la suddivisione di essi in pianeti rocciosi (Mercurio, Venere, Terra, Marte) e gassosi (Giove, Saturno, Urano, Nettuno).

Il processo di fusione nucleare o nucleosintesi è responsabile dell’energia che arriva a noi dal Sole o da qualsiasi altra stella.
Il nucleo del Sole è composto essenzialmente di nuclei di idrogeno, cioè protoni. Questi protoni si fondono assieme per dare nuclei di elio, per la precisione quattro protoni danno un nucleo di elio attraverso diverse reazioni chimiche. Il nucleo di elio formatosi ha un peso inferiore ai quattro singoli protoni. Questa differenza di massa si trasforma tutta in energia che uscirà lentamente dal nucleo per giungere a noi.
Il consumo dell’idrogeno per trasformarsi in elio è un processo molto lento tant’è che occorreranno altri cinque miliardi di anni circa prima che tutto l’idrogeno contenuto nel nucleo del Sole si esaurisca.
A quel punto il Sole intraprenderà il suo declino che comunque durerà ancora centinaia di milioni di anni e durante questo declino aumenterà il suo volume, travolgendo il Sistema Solare.
Il Sole diventerà una stella gigante colore rosso cupo per poi ridursi alle dimensioni della Terra e spegnersi lentamente. In questa fase il Sole sarà una stella “nana bianca”.

Caratteristiche del Sole

Il Sole, come tutte le altre stelle può essere suddiviso in due zone: l’interno e l’atmosfera.
Le reazioni di nucleosintesi si svolgono naturalmente all’interno dove la temperatura raggiunge i milioni di gradi.
L’atmosfera è quella zona da cui giunge la luce e da cui, di conseguenza, arrivano a noi tutte le informazioni.
Nessuna informazione ci giunge dall’interno del Sole.
Tutto ciò che si conosce sul funzionamento delle stelle, è per merito di modelli teorici e dello studio della fisica delle particelle nei laboratori di fisica nucleare. Solo verso gli anni ‘30 si è cominciato a capire l’intima essenza delle stelle e quale fosse il processo di produzione dell’energia.

L’atmosfera a sua volta può essere suddivisa in tre zone: la fotosfera, la cromosfera e la corona solare.

La fotosfera è la parte più bassa dell’atmosfera ed è qui che si forma lo spettro continuo della luce. Alla base della fotosfera la temperatura è di circa 8.000°K per poi diminuire fino a 4.000°K, corrispondente al limite della fotosfera ed all’inizio della cromosfera. Qui la temperatura sale nuovamente sino a giungere a 10.000°K, il limite della cromosfera e l’inizio della corona solare.
Nella corona solare la temperatura raggiunge il milione di °K. Lo studio dello spettro della luce solare mostra che due terzi degli elementi chimici noti sulla Terra sono identificati sul Sole.
La fotosfera è formata praticamente da idrogeno ed elio.

Il fenomeno più noto ed evidente della fotosfera sono le macchie solari. Le macchie solari sono sede di forti campi magnetici. Hanno colore scuro perché hanno temperature inferiori di circa 2.000°K della superficie solare circostante. Si formano nei punti in cui intensi campi magnetici bloccano i movimenti del gas solare impedendo il trasferimento di energia dall’interno alla superficie. Sorgono sempre a coppie: una per l’uscita delle linee di forza del campo magnetico ed una per l’ingresso. Il ciclo delle macchie solari ha una durata di 11 anni. Tra il 1645 ed il 1715 ci fu una interruzione del ciclo undecennale ed a ciò corrispose un irrigidimento delle temperature nel nord Europa. Le dimensioni delle macchie solari vanno dai 4.000 ai 50.000 chilometri.

La cromosfera e la corona solare sono visibili durante le eclissi totali di Sole.

Altri fenomeni piuttosto evidenti sono i brillamenti e le protuberanze.

I brillamenti sono la reazione di tutta l’atmosfera solare ad un improvviso sprigionamento di energia (di origine magnetica). Si manifestano sia con un riscaldamento localizzato della cromosfera (fino a 10.000°K) e della corona solare (fino a 10 milioni di °K) sia con l’emissione di particelle altamente energetiche.

Le protuberanze sono gigantesche lingue di fuoco lunghe fino a 200.000 chilometri ed alte 50.000 chilometri incurvate dalle linee di forza del campo magnetico. Nella seconda metà del secolo scorso nello spettro di una protuberanza fu scoperto l’elio, poi però ritrovato anche sulla Terra. Ad ogni modo questo elemento chimico è stato l’unico ad essere scoperto prima fuori dalla Terra.

Anche il Sole ruota su se stesso ma essendo un corpo fluido, cioè non possedendo una superficie solida la sua rotazione varia con la latitudine: all’equatore è di 27 giorni, ai poli di 32 giorni.
La determinazione di questi dati è resa complicata dal fatto che i riferimenti sulla superficie solare, le macchie ad esempio, si muovono a loro volta. Solo misurando l’effetto Doppler nello spettro preso sul bordo est ed ovest è possibile determinare la velocità di rotazione.

Monografia n.4-1996/4

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