Il Sole Luce e Calore

• 29 settembre 2022

Il componente principale del sistema solare che da solo rappresenta il 99,9%, in massa, di tutto il sistema: il Sole. È a capo di una famiglia molto numerosa. Ci sono otto figli, ovvero i pianeti con tutti i loro figlioletti – i satelliti – poi 5 pianeti nani, ma anche asteroidi e comete in grande quantità.

Nella galassia in cui viviamo, la Via Lattea, ci sono centinaia di miliardi di stelle, come se fossero palazzi di una città; noi abitiamo in uno di questi. Il Sole è una stella come ce ne sono tante: di massa medio-piccola, brilla da meno di 5 miliardi di anni circa, attualmente situato in una zona abbastanza tranquilla chiamata braccio di Orione, un braccio secondario tra il braccio di Perseo e il braccio del Sagittario. Questa zona comprende un rione chiamato “nube interstellare locale”, nell’isolato detto “bolla locale”, dove c’è poco traffico, poca gente, poco movimento e le case non sono ammassate le une alle altre, mettiamo come Sormano. Siamo fortunati che nel nostro isolato ci sia poca gente: dove c’è tanta gente e tanto traffico la vita sarebbe quasi impossibile: lo smog - radiazioni come i raggi cosmici - sarebbe terribile. Il Sole è l’unica stella in uno spazio di 50 anni luce cubici. Infatti la stella più vicina a noi, dopo il Sole, è Proxima Centauri che dista 4,22 anni luce, una piccola nana rossa, con diametro di soli 201.550 Km. Fa parte di un sistema solare triplo, con Alfa Centauri A e B. Attorno ad “α Cen. B”, nel 2012, è stato scoperto un pianeta, (uno dei quasi 5.000 pianeti extrasolari finora scoperti) e nell’agosto 2016 è stato individuato un pianeta attorno a Proxima Centauri e molto probabilmente ce ne sono altri.


Come è nato il Sole? C’è stato un tempo in cui una grande nube, composta da Idrogeno, un po’ di Elio e pochi altri materiali come Ferro, Silicio, Carbonio, Ossigeno, ecc. se ne stava tranquilla per proprio conto. Questa nube era l’eredità di grandi stelle esplose come supernovae molto tempo prima. Un’altra stella esplose nelle vicinanze e le sue onde gravitazionali influenzarono la nostra nube, che cominciò a ruotare su se stessa, a condensarsi sempre di più fino a formare un disco appiattito, con concentrazione più densa verso il centro. Col tempo la gravità ha fatto sì che la densità aumentasse sempre di più fino ad arrivare a circa 500 miliardi di atmosfere di pressione. Con questa pressione e i 15 milioni di gradi così raggiunti si innesca un processo di reazioni nucleari dove l’Idrogeno si fonde in un elemento più pesante: l’Elio. Durante la fusione viene generata un’enorme energia [(3,83×1026) Joule] pari a [( 9,15×1010) megatoni di tritolo] ogni secondo. L’energia così generata è la forza che si oppone alla forza di gravità, che è sempre presente e che tende a comprimere la neonata stella. Si raggiunge così una condizione di equilibrio tra forza di gravità e spinta nucleare. Come un tiro alla fune dove le due squadre si equivalgono. La nuova stella, diventata stabile, inizia il suo percorso di vita che verrà mantenuto finché ci sarà combustibile ad alimentare la fusione.
Com’è fatto il Sole. E’ una sfera quasi perfetta di gas caldissimo che prende il nome di plasma (1). È una stella di popolazione Uno (o terza generazione) classificata come nana gialla di tipo spettrale G2 V.

G2 significa che ha una temperatura superficiale di 5777 K pari a 5504 °C, caratteristica questa che gli conferisce un intenso colore bianco che però ci può apparire giallognolo a causa dello ‘scattering’ (diffusione ottica) dell’atmosfera terrestre. La V (cinque in numeri romani) indica che è nella sequenza principale; in altre parole è in equilibrio stabile. Composto principalmente da Idrogeno per il 74% circa della sua massa (92% in volume), il 24-25% di Elio (7,8% in volume) e da altri metalli in quantità molto minori come Litio, Berillio, Boro, Neon ed elementi del gruppo 8 della tavola periodica tra cui Ferro, Cobalto e Manganese.

(1) Il plasma è il quarto stato della materia: solidi, liquidi, gassosi e plasma. È gas ionizzato costituito da elettroni e ioni globalmente neutro (carica elettrica nulla). Il termine “ionizzato” significa che una frazione significativa di elettroni sono stati strappati ai rispettivi atomi.
La magnitudine apparente è di -26 e assoluta +4.83. La dimensione apparente media - vista dalla Terra - è di 32’ 03” d’arco, che varia a seconda della posizione della Terra nella sua orbita, e va dai 32’ 35” al perielio ai 31’ 31” d’arco all’afelio. Dal nostro punto di vista (la Terra), grande all’incirca come la Luna, anche se è 400 volte più grande ma anche 400 volte più lontano. Come tutti i corpi celesti il Sole è in movimento: orbita attorno al centro galattico alla distanza media di circa 26.000 anni luce, impiega 225/250 milioni di anni per compiere un giro completo, alla velocità di 220 Km/s o 792.000 Km/h. La direzione apparente è verso la stella Vega della costellazione Lira e la costellazione di Ercole.
Poiché il Sole si trova allo stato di plasma e non possiede, al contrario di un pianeta roccioso, una superficie solida, la stella è soggetta a una rotazione differenziale, ovvero ruota in maniera diversa a seconda della latitudine: infatti ruota più velocemente all'equatore che non ai poli ed il periodo di rotazione varia tra i 25 giorni dell'equatore e i 35/37 vicino ai poli. La rotazione differenziale della stella causa una forte deformazione delle linee del campo magnetico, che appaiono aggrovigliate su se stesse; su di esse si dispone il plasma delle eruzioni solari, e va a formare brillamenti, protuberanze e vasti anelli di materia incandescente, noti come anelli coronali.

Come tutte le altre stelle ha un nucleo estremamente denso e caldo dove avvengono le reazioni nucleari e dove viene generata l’energia che ci riscalda: la densità è 150 volte quella dell’acqua e la temperatura è di 15 milioni di gradi. Il ciclo di fusione nucleare avviene nel seguente modo: 2 protoni di Idrogeno (¹H) si fondono a formare un isotopo di Deuterio (2H) emettendo un neutrino e un positrone che si annichila subito con un elettrone emettendo un raggio gamma. Per continuare, la reazione deve avvenire due volte. Il Deuterio unendosi ad un altro protone di Idrogeno forma l’isotopo 3Elio, emettendo un raggio gamma. Due isotopi di 3Elio si fondono a formare 4Elio. Si liberano 2 protoni di idrogeno che ritornano in circolo per successive fusioni. Durante la fusione viene generato un intenso campo magnetico e rilasciata energia sotto forma di radiazioni elettromagnetiche, flusso di particelle (vento solare) e neutrini. I neutrini, che interagiscono molto debolmente con la materia, lasciano subito la stella e si disperdono nello spazio. Ne vengono rilasciati 65 miliardi ogni secondo e ci attraversano senza danni in qualsiasi momento. I fotoni invece seguono un percorso molto diverso: da quando vengono creati, cominciano una corsa verso l’esterno che dura diverse decine di migliaia di anni, poiché il nucleo è talmente denso che i fotoni rimbalzano tra gli atomi, assorbiti eriemessi, in un percorso lunghissimo. Una volta raggiunta la superficie impiegano poco più di otto minuti e venti secondi – a velocità luce – per raggiungere la Terra.
Ogni secondo il Sole fonde 600 milioni di tonnellate di Idrogeno ma solo 595,74 vengono trasformati in Elio. I rimanenti 4,26 milioni vengono trasformati in energia. La massa non è andata persa ma semplicemente trasformata in altra forma, secondo la formula E=Mc2 come Einstein ci ha insegnato.
La Terra riceve solo due miliardesimi di tutta l’energia irradiata dal Sole. La potenza complessiva del Sole è di 383 YJ (YottaJoule) al secondo; in altri termini: 383 milioni di miliardi di miliardi di Joule. L'enormità di questa energia, se espressa in wattora, equivale a 106 miliardi 400 milioni di Terawattora. Sulla Terra la produzione mondiale di energia elettrica nel 2019 è stata di circa 27.000 TWh. Per eguagliare l'energia prodotta dal Sole in un solo secondo tutti gli impianti di produzione di energia elettrica del pianeta dovrebbero funzionare a pieno regime per più di quattro milioni di anni.

La struttura del Sole è suddivisa in:
Nucleo, che è il 10% in volume e il 40% in massa, dove avviene la fusione, fonte principale di energia con raggio di 200.000 km.;
Zona radiativa, che assorbe l’energia dal nucleo e la trasmette per irraggiamento allo strato successivo, ha un raggio è di 300.000 km.;
Zona convettiva, che ha uno spessore di circa 200 mila chilometri e trasmette l’energia ricevuta attraverso moti convettivi. Qui si formano le colonne termiche che sulla fotosfera generano le formazioni dette Granuli.
Fotosfera, con uno spessore di 500 km. è la zona visibile dove si formano le macchie solari e che irraggia verso lo spazio l’energia ricevuta dallo strato inferiore;
Cromosfera, spessa 1.500 km. è interessata da fenomeni magnetici quali le protuberanze ed i filamenti che possono arrivare a un quarto di raggio solare in altezza; la sua temperatura aumenta man mano che ci si allontana, fino a 100.000 gradi negli strati più esterni; Zona di transizione, raggio di circa 8.500 km. e da cui inizia la Corona;
Corona, è la parte più esterna, non ha limiti definiti e si estende per milioni di Km. nello spazio, è costituita da plasma caldissimo ma anche molto rarefatto, che arriva fino a 1 / 2 milioni di gradi. Normalmente invisibile, lo diventa in occasione delle eclissi totali.



Il vento solare (flusso di particelle cariche, principalmente protoni ed elettroni) crea una “bolla”; fenomeno che prende il nome di Eliosfera, e si estende fino ai confini del sistema solare ad almeno 15 ore luce se non di più (un’ora luce corrisponde a più di un miliardo di chilometri).
Le reazioni nucleari di fusione generano intensi campi magnetici che quando si avvicinano alla superficie e fuoriescono possono formare le macchie solari, che ci appaiono scure per contrasto, e sono più fredde di circa 2.000 gradi, perché il magnetismo inibisce la circolazione del gas caldo e tanto più è grande la macchia, tanto più fredda risulta. Come conseguenza attorno alle macchie possono verificarsi dei ‘flare’ ossia dei brillamenti, detti CME (Coronal Mass Ejection) , che in caso di forte energia possono sparare nello spazio particelle elettricamente cariche; se e quando questi fenomeni sono diretti verso la Terra, possono causare problemi ai satelliti artificiali, alle telecomunicazioni, alle linee elettriche e alle centrali elettriche. Impiegano da poche ore a due giorni per raggiungerci. I buchi coronali sono luoghi in cui il campo magnetico del Sole si apre e permette al vento solare di sfuggire.


Il Sole è costantemente monitorato anche, ma non solo, per avvisare gli astronauti sulla stazione spaziale e permettere loro di proteggersi per tempo. I CME sono la causa delle aurore polari: quando queste particelle energetiche scagliate dal Sole in direzione della Terra penetrano attraverso i punti deboli del nostro campo magnetico - i poli - eccitano le molecole dell’alta atmosfera, le quali emettono la luce che noi vediamo e chiamiamo aurore boreali o australi a seconda dell’emisfero da cui le osserviamo. Al momento il Sole è in fase di ripresa dell’attività nel ciclo n° 25 che dura circa 11 anni dopo un lungo periodo di minima. Possono apparire macchie solari, brillamenti, filamenti e protuberanze. Oltre a queste ci sono altri fenomeni quali facole e spicole: mi piace descrivere quest’ultime come i ‘capelli’ del Sole. Filamenti e protuberanze sono la stessa cosa ma viste da differenti angolazioni: viste sul disco solare appaiono come striature scure, viste sul bordo appaiono come getti di plasma incandescente che il Sole ‘spara’ nello spazio.



Un’esperienza che tutti dovrebbero vedere è una eclissi totale di Sole: al giorno subentra in modo repentino la notte, anche se soltanto per pochi minuti. La temperatura si abbassa di parecchi gradi, si alza il vento, gli uccelli vanno a dormire e si possono vedere stelle e pianeti di giorno. Una eclissi di Sole si verifica mediamente ogni 16 mesi quando Sole–Luna–Terra sono perfettamente allineate: l’ombra proiettata dalla Luna sulla Terra causa una zona di penombra e una zona d’ombra, sempre circolare, larga poco più di 100 chilometri. Osservata dalla zona di penombra vedremo una eclissi parziale. Quando il Sole non è ancora interamente coperto è possibile vedere un “anello di diamante” e solamente quando sarà completamente coperto dalla Luna potremo guardarlo ad occhio nudo, senza filtri, e osservarne la corona. Se la Luna si trova all’apogeo - un poco più lontana da noi - non coprirà interamente il Sole perché ci appare più piccola, allora vedremo una eclissi anulare. Con determinate condizioni meteorologiche, può capitare di assistere ad un fenomeno ottico chiamato “Parelio” e comunemente detto “cani del Sole”. È dovuto alla rifrazione della luce al tramonto con i minuscoli cristalli di ghiaccio nell’atmosfera alla quota dove solitamente si formano i cirri. Questi cristalli di ghiaccio di forma esagonale con dimensioni da 0,5 a 1 mm. fungono da prismi e rifrangono la luce del Sole in molte direzioni, ma con un angolo di circa 158°, che causa la formazione di pareli a circa 22° dal Sole. La distanza dipende dall’altezza del Sole sull’orizzonte: più alto è il Sole e più lontani da esso si noteranno i pareli, con colori come quelli visibili nel più comune fenomeno dell’arcobaleno.



Il Sole si trova a circa metà della propria sequenza principale. Al termine di questo periodo di stabilità, tra circa 5 miliardi di anni, il Sole entrerà in una fase di forte instabilità che prende il nome di “gigante rossa”: nel momento in cui l'Idrogeno del nucleo sarà totalmente convertito in Elio, gli strati immediatamente superiori subiranno un collasso dovuto alla scomparsa della pressione di radiazione delle reazioni termonucleari. Il collasso determinerà un incremento termico fino al raggiungimento di temperature tali da innescare la fusione dell'Idrogeno negli strati superiori al nucleo, che provocheranno l'espansione della stella fino ad oltre l'orbita di Mercurio; l'espansione causerà un raffreddamento del gas (fino a 3500 K), motivo per cui la stella avrà una colorazione fotosferica tipicamente gialla intensa. Quando anche l'Idrogeno dello strato superiore al nucleo sarà totalmente convertito in Elio - entro poche decine di milioni di anni - si avrà un nuovo collasso, la stella subirà una riduzione delle proprie dimensioni. che determinerà un aumento della temperatura del nucleo di Elio. A 100 milioni di gradi si innescherà la fusione dell'Elio in Carbonio e Ossigeno. A causa delle elevatissime temperature del nucleo la stella deve espandersi per dissipare l’intenso calore dovuto alla fusione dell'Elio, che si esaurirà in breve tempo (milioni di anni) e i prodotti di fusione, non impiegabili in nuovi cicli termonucleari a causa della piccola massa della stella, si accumuleranno inerti nel nucleo. Frattanto, venuta a mancare nuovamente la pressione di radiazione che spingeva verso l'esterno, avverrà un nuovo collasso che determinerà l'innesco della fusione dell'Elio nel guscio che avvolge il nucleo e dell'Idrogeno nello strato ad esso immediatamente superiore. Queste nuove reazioni produrranno una quantità di energia talmente elevata da provocare una nuova espansione dell'astro, che raggiungerà così dimensioni prossime a due Unità Astronomiche (circa 200 volte quelle attuali), tanto che la sua atmosfera arriverà ad inglobare Venere. Incerto è invece il destino della Terra: alcuni astronomi ritengono che anche il nostro pianeta verrà inglobato dalla stella morente; altri invece ipotizzano che il pianeta si salverà, poiché la perdita di massa da parte della stella farebbe allargare la nostra orbita, che slitterebbe di conseguenza sino a quasi 1,7 U.A. Il nostro pianeta sarà però diventato inabitabile: gli oceani saranno evaporati a causa del forte calore e gran parte dell'atmosfera verrà dispersa nello spazio dall'intensa energia termica e dall’azione del vento solare. Tutto ciò avverrà entro i prossimi 3,5 miliardi di anni, cioè ancor prima che il Sole entri nella fase di “gigante rossa”. Entro 7,8 miliardi di anni, esaurito ogni processo termonucleare, avverrà il rilascio degli strati più esterni, che verranno spazzati via sotto forma di "supervento" originando una nebulosa planetaria. Le parti più interne collasseranno e daranno origine ad una nana bianca. Per farci un’idea di cosa è una nana bianca prendiamo ad esempio Sirio, la stella più luminosa che possiamo vedere ad occhio nudo e dista 8,6 anni luce da noi. Sirio è una stella doppia: la più brillante, Sirio A, ha massa doppia rispetto al Sole. La compagna, Sirio B, un poco più piccola della Terra, è una nana bianca con una massa dello 0,06% del Sole. A confronto con la Terra, che ha massa di 6 triliardi di tonnellate, è 20.000 volte più massiccia e 4 volte più calda della fotosfera del Sole. È una stella oramai morta a tutti gli effetti che irradierà nello spazio tutto il calore accumulato durante il ciclo vitale e si andrà raffreddando sino a diventare, dopo svariati miliardi di anni, una nana nera.


Questo (in breve) è il percorso del Sole e delle stelle di massa equivalente, dalla nascita fino alla morte.