La Luna
La Luna, unico satellite naturale della Terra, ci appare in cielo come un disco con diametro circa uguale a quello del Sole, equivalente a circa 1/4 di quello della Terra (tab. 3.3).
Origine della Luna
Sull'origine del nostro satellite sono state ipotizzate varie teorie; di esse, alcune hanno perso credibilità con il passare del tempo, altre sono state perfezionate con l'aumentare dei dati a nostra disposizione.
Secondo la teoria della separazione, in origine la Terra era un corpo fluido, che ruotava su se stesso con una velocità superiore a quella attuale. Questa circostanza avrebbe prodotto sulla Terra una protuberanza, che a un certo momento si staccò formando la Luna. Questa teoria fu abbandonata quando si dimostrò che le resistenze di attrito avrebbero impedito alla protuberanza di raggiungere l'altezza necessaria. Non spiega, inoltre, come mai la Terra ruotasse tanto più velocemente rispetto a oggi e perché il piano dell'orbita lunare sia inclinato rispetto al piano dell'orbita terrestre; con tale teoria si giustificherebbe, però, la minor densità della Luna.
La Luna può essere considerata come parte di un pianeta doppio formatosi per accumulo di particelle di materia, cresciuto contemporaneamente alla Terra, anche se più lentamente. Questa teoria è invalidata dalla circostanza per cui i valori della densità della Luna e della Terra sono molto diversi, fatto che indica una composizione complessiva differente, difficile da giustificare ipotizzando l'originaria formazione dallo stesso aggregato materiale.
In base alla teoria della cattura, la Luna potrebbe essere un intruso proveniente dal sistema solare, che – giunto in vicinanza della Terra – è stato attratto dal suo campo gravitazionale. L'insieme di circostanze concomitanti necessarie per il verificarsi di questo fenomeno appare poco probabile, anche se questa teoria giustificherebbe la diversa composizione della Luna e della Terra.
Secondo la teoria dell'accrescimento, la Luna si sarebbe formata in seguito all'aggregazione di particelle e polveri già orbitanti intorno alla Terra. È l' ipotesi ritenuta più plausibile.
La superficie della Luna
La materia che costituisce la crosta lunare ha composizione chimica simile a quella della crosta terrestre (nelle rocce lunari portate sulla Terra, tutte di composizione basaltica, sono stati trovati solo tre nuovi minerali).
La superficie lunare mostra zone chiare (tradizionalmente chiamate terre, o continenti) e zone scure (chiamate mari). Un'osservazione più attenta mostra grandi catene montuose, numerosi crateri e lunghi solchi.
Le terre sono zone più chiare, accidentate e fittamente caratterizzate. Nelle terre ci sono catene montuose (che raggiungono anche 8000 m di altezza) e solchi.
I mari sono zone pianeggianti, vaste, scure, lisce e approssimativamente circolari. Si tratta di giganteschi crateri di asteroidi riempiti dalla lava fuoriuscita dagli strati più profondi dopo l'impatto. La genesi di origine vulcanica è stata scartata, poiché i crateri lunari sembrano disposti a caso, mentre solitamente i vulcani terrestri si addensano e si allineano in regioni ben definite; le dimensioni sembrano poi troppo grandi perché vengano considerati edifici vulcanici.
Analizzando il moto dei satelliti messi in orbita intorno alla Luna, si sono rilevate, in corrispondenza dei mari più circolari, anomalie di gravità, espresse da valori più elevati che dimostrano la presenza di forti concentrazioni di massa, battezzate mascon (mass concentration), probabilmente determinate da grossi meteoriti metallici che hanno originato i mari medesimi.
La Luna non possiede atmosfera, che si è dispersa a causa della debole attrazione esercitata sulla materia gassosa dalla gravità lunare. Tale circostanza comporta alcune conseguenze:
- la temperatura della superficie lunare presenta oscillazioni assai pronunciate (di circa 270 °C nell'arco di un giorno lunare, da massimi di 120 °C a minimi di –150 °C durante la notte);
- i fenomeni di erosione sulla superficie lunare sono assenti;
- i fenomeni acustici non possono prodursi;
- osservate dalla Luna, le stelle presentano un aspetto più lucente e puntiforme (la loro immagine non è soggetta a fenomeni di "tremolio", dovuti a movimenti dell'aria).
La struttura interna
Le informazioni raccolte dalle missioni Apollo e dagli studi con sonde senza equipaggio hanno portato alla definizione di un modello attendibile della struttura interna della Luna. Lo strato superficiale, formato da sabbia e polvere (regolite), raggiunge in alcuni punti anche 20 m di spessore. La profondità della crosta è in media di 60 km; al di sotto di essa si trova il mantello, che si estende a circa 1000 km di profondità. Procedendo ulteriormente verso l'interno, si incontra una zona parzialmente fusa (astenosfera). La parte più interna è il nucleo lunare, presumibilmente del diametro di circa 1000 km, ricco di ferro, probabilmente allo stato liquido e con temperature di circa 1500 °C. I sismometri lasciati sul suolo lunare nel corso di differenti missioni hanno registrato terremoti di tipo sia superficiale, sia profondo. Gli eventi sismici sono dovuti alla caduta di meteoriti e a sommovimenti che hanno luogo all'interno della Luna stessa. Questi ultimi sono più frequenti quando la Luna si trova più vicina alla Terra e sono pertanto attribuibili all'azione gravitazionale esercitata dal nostro pianeta.
I movimenti della Luna
La Luna compie tre movimenti principali: il moto di rivoluzione intorno alla terra, il moto di rotazione intorno al proprio asse e il moto di traslazione, insieme alla Terra, intorno al Sole.
Il moto di rivoluzione si svolge, in senso antiorario, lungo un'orbita ellittica (dove la Terra occupa uno dei fuochi dell'ellisse), il cui piano è inclinato di poco più di 5° rispetto al piano dell'orbita terrestre (eclittica). Nel corso di una rivoluzione completa, la Luna interseca il piano dell'eclittica in due punti, detti nodi, la cui congiungente è chiamata linea dei nodi. Durante la rivoluzione, la distanza fra la Terra e la Luna varia da un minimo (perigeo) a un massimo (apogeo) e, mediamente, è di circa 384 000 km. Per il calcolo della durata del periodo di rivoluzione della Luna, bisogna distinguere i due casi in cui la posizione del satellite viene riferita a una stella fissa (rivoluzione siderea) oppure all'allineamento Terra-Sole (rivoluzione sinodica). Nel primo caso, il periodo di rivoluzione risulta di 27 giorni, 7 ore, 43 minuti e 12 secondi (mese sidereo); nel secondo, il periodo risulta maggiore di altri due giorni, per la precisione 29 giorni, 12 ore, 44 minuti e 3 secondi (mese sinodico): infatti, mentre la Luna compie la sua orbita, la Terra si sposta lungo l'eclittica di un certo angolo e, affinché la Luna possa presentarsi nella stessa posizione rispetto all'allineamento Terra-Sole (per esempio, nella fase di Luna nuova, vedi oltre), deve, alla scadenza del mese sidereo, percorrere un angolo corrispondente sulla sua orbita (ciò richiede oltre 2 giorni e 12 ore) (fig. 3.2).
Il moto di rotazione della Luna intorno al proprio asse avviene nello stesso senso della rotazione terrestre (cioè da ovest a est) e, ciò che è più interessante, ha la stessa durata (circa 27 giorni e un terzo) del periodo di rivoluzione (siderea) intorno alla Terra; di conseguenza, la Luna volge verso la Terra sempre la stessa faccia, cioè lo stesso emisfero (il lato nascosto della Luna si è potuto osservare solo grazie alle missioni spaziali).
Il moto di traslazione si compie nello stesso senso e con la stessa velocità con cui la Terra effettua il suo moto di rivoluzione intorno al Sole. Rispetto al Sole, la curva descritta dalla Luna non è più un'ellisse, ma una traiettoria complessa detta epicicloide (una sorta di ovale sinuoso che taglia l'orbita terrestre in più punti a intervalli regolari).
Altri movimenti della Luna sono le librazioni. Sono leggere oscillazioni (od ondeggiamenti) che subisce la parte visibile della Luna come conseguenza delle caratteristiche dei suoi moti di rotazione e rivoluzione intorno alla Terra: come risultato, la porzione di superficie lunare effettivamente osservabile dal nostro pianeta è superiore al 50% (corrispondente all'emisfero che è sempre rivolto verso la Terra); in effetti, ci è possibile scorgere circa il 58% della superficie lunare. Ciò è dovuto, in particolare, a due circostanze:
- l'asse di rotazione della Luna è inclinato (di oltre 6°) rispetto al piano della sua orbita, per cui dalla Terra noi vediamo alternativamente, nel corso della rivoluzione lunare, un po' più del suo emisfero settentrionale e un po' più del suo emisfero meridionale (librazione in latitudine);
mentre la Luna ruota intorno al proprio asse con velocità uniforme, nel moto di rivoluzione, con traiettoria ellittica, la velocità al perigeo è maggiore di quella posseduta all'apogeo (2a legge di Keplero) e ciò permette di "sbirciare" qualcosa in più, sia verso est, sia verso ovest (librazione in longitudine).
Le fasi lunari
Nel corso della sua rivoluzione intorno alla Terra, la Luna splende di luce solare riflessa e perciò può essere illuminata solo la metà lunare rivolta al Sole; tuttavia, eccetto che per breve tempo nel corso di ogni mese, la metà illuminata non è la stessa che sta di fronte alla Terra, ma cambia ogni giorno, passando, nel corso di circa due settimane, da una condizione di totale oscurità a una condizione di totale illuminazione; nelle due settimane successive avviene il contrario. Questi cambiamenti giornalieri nell'aspetto della Luna, vista da un osservatore terrestre, sono chiamati fasi lunari (fig. 3.3).
Con il termine Luna nuova (o novilunio) si indica il momento in cui essa si trova in congiunzione, cioè tra il Sole e la Terra. Durante il novilunio la Luna non è visibile, perché ci mostra tutta la metà in ombra; inoltre, sorge e tramonta contemporaneamente al Sole.
Successivamente entra in fase crescente: sulla Terra è visibile dapprima una sottile fascia luminosa a forma di falce, con convessità a ovest ("gobba a ponente"), che si amplia gradualmente fino a raggiungere la fase del primo quarto, all'incirca dopo una settimana. Dalla Terra vediamo la metà occidentale della sua faccia illuminata. In questo momento la Luna è a est del Sole, nasce a mezzogiorno e tramonta a mezzanotte.
Dopo un'altra settimana è Luna piena (o plenilunio): ci appare come un disco completamente illuminato ed è situata in opposizione, cioè dalla parte opposta al Sole. Sorge al tramonto e cala all'alba.
Nell'ultimo quarto la Luna ci mostra nuovamente una metà del disco illuminato, ma la metà orientale. Si trova a ovest del Sole, nasce a mezzanotte e tramonta a mezzogiorno. Infine, passa per la fase calante: la Luna assume la forma di falce sempre più ridotta, ma con convessità verso est ("gobba a levante"), fino a scomparire del tutto alla vista. Si è allora tornati alla fase di Luna nuova e inizia un altro ciclo.
Le fasi di Luna nuova e piena sono dette sizigie, quelle del primo e ultimo quarto quadrature.
Eclissi di Sole e di Luna
Quando la Luna, nel suo moto, si interpone tra il Sole e la Terra, in modo tale che si abbia un allineamento Sole-Luna-Terra, il cono d'ombra della Luna investe una parte della superficie terrestre e si verifica un'eclissi di Sole (quest'ultimo viene cioè occultato alla vista dalla Terra) (fig. 3.4).
Quando è la Terra a interporsi fra il Sole e la Luna, in modo che si abbia un allineamento Sole-Terra-Luna, il cono d'ombra della Terra si proietta sulla Luna e si verifica un'eclissi di Luna (la Luna, cioè, viene oscurata).
Le eclissi possono essere totali o parziali: sono totali, quando il Sole è interamente coperto dalla Luna, o quando tutta la Luna è oscurata dall'ombra della Terra; sono parziali, quando l'allineamento Sole, Luna e Terra non è perfetto, per cui il cono d'ombra della Luna non copre interamente il Sole o quello della Terra non oscura completamente la Luna.
La condizione perché si verifichi un'eclissi (di Sole o di Luna) è che la Luna venga a trovarsi in esatta corrispondenza (eclissi totale) o nelle vicinanze (eclissi parziale) di uno dei due nodi: se è in fase di congiunzione (novilunio), si verificherà un'eclissi di Sole; se è in fase di opposizione (plenilunio), si verifica un'eclissi di Luna. Un caso particolare è l'eclissi anulare, che avviene quando la Luna è in apogeo e il vertice del suo cono d'ombra non riesce a raggiungere la superficie terrestre. Sul disco solare si vedrà allora, proiettata centralmente, l'ombra della Luna. Poiché il disco lunare ha un diametro inferiore a quello del Sole, esso apparirà circondato da un anello brillante.
Le maree
Le maree sono movimenti periodici di innalzamento (flusso) e abbassamento (riflusso) del livello marino , causati dall'attrazione combinata della Luna e del Sole sulla Terra (l'azione della Luna è circa 2,2 volte maggiore di quella del Sole).
La massima altezza raggiunta dal livello del mare prende il nome di alta marea, mentre il massimo abbassamento di livello è detto bassa marea. Fra questi due estremi è calcolata l'ampiezza di marea, modesta nei mari chiusi (1-2 m), più ampia negli oceani (per esempio, 15 m lungo le coste dell'Europa atlantica, 20 m nella baia di Fundy, in Canada).
Per la combinazione del moto rotatorio della Terra intorno al proprio asse e del moto orbitale della Luna, quest'ultima impiega 24 ore e 50 minuti a compiere un giro completo intorno alla Terra. Di conseguenza, in ogni punto delle superfici marine dovrebbero, in media, alternarsi teoricamente un flusso e un riflusso ogni 6 ore, 12 minuti, 30 secondi, cioè due alte maree e due basse maree nell'arco di 24 ore e 50 minuti.
In pratica, il movimento delle maree non può verificarsi in modo regolare per una serie di motivi, tra cui, principalmente, la distribuzione irregolare degli oceani, l'inerzia delle acque, l'attrito esercitato su di esse dal fondo marino e la natura frastagliata delle coste. Tutto ciò provoca un ritardo nella propagazione del flusso (e del riflusso) e quindi nel raggiungimento del livello di alta marea (o bassa marea). Questo ritardo, variabile da luogo a luogo, viene chiamato ora di porto. Le linee che su una carta congiungono i punti delle coste in cui l'alta marea si verifica contemporaneamente sono chiamate linee cotidali.
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Figura 3.3 Le fasi lunari.
Figura 3.4 Eclissi di Sole e di Luna.