IL SISTEMA TERRA - LUNA, creazione, vita, movimenti. by Andreotti Roberto - INSA.

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Aggiornato il 17/07/2020

IL SISTEMA
TERRA - LUNA

Il sistema Terra-Luna è la seconda coppia pianeta-satellite del sistema solare ad avere forze mareali sensibili sul pianeta. Questo è dovuto al rapporto delle masse di ben 1/81, la seconda nel sistema solare, solo il sistema Plutone-Caronte supera questo valore, con un rapporto di masse di 1/9 che ha però portato al raggiungimento dell'equilibrio mareale, difatti il periodo di rotazione di Plutone, quello di Caronte e il periodo di rivoluzione di Caronte sono sincronizzati, ed entrambi si mostrano sempre la solita faccia.
Quindi la Terra è l'unico pianeta ad avere cicli mareali con deformazione sia della crosta, ed in maniera più evidente del livello dei mari.
LINK:
LA TERRA il nostro pianeta.
LA LUNA il satellite della Terra.

Creazione:

Formazione della luna:
Sono state proposte diverse ipotesi per spiegare la formazione della Luna che, in base alla datazione isotopica dei campioni di roccia lunare portati sulla Terra dagli astronauti delle missioni Apollo, risale a 4,527 ± 0,010 miliardi di anni fa, cioè circa 40 - 50 milioni di anni dopo la formazione del sistema solare.

Il sistema Terra-Luna ha una grande quantità di momento angolare per unità di massa e la Luna ha un nucleo notevolmente piccolo per un corpo delle sue dimensioni. Queste osservazioni suggeriscono che la Luna si sia formata da un impatto gigantesco, ad angolo obliquo, tra la Terra e un embrione planetario un po 'più piccolo chiamato Theia.

Simulazioni numeriche mostrano che il nucleo di Theia si sarebbe coalizzato con quello della Terra, aumentando quindi la densità media del pianeta, difatti la Terra è il pianeta più denso, mentre il materiale fuso e vaporizzato dai mantelli di entrambi i corpi formava un disco di accrescimento in orbita attorno alla Terra ( Canup, 2004 ).
Theia probabilmente aveva una massa di circa 1/10 di quella terrestre, tipo Marte.
Il fatto che la Luna non abbia successivamente acquisito più materiale portante di ferro suggerisce che la collisione avvenne vicino alla fine della formazione della Terra ( Canup e Asphaug, 2001), quando essa aveva già un nucleo differenziato.
Il sistema isotopico di hafnio-tungsteno indica che il nucleo della Luna si è formato circa 40 milioni di anni dopo l'origine del sistema solare, il che suggerisce che l'impatto sulla formazione della Luna è avvenuto immediatamente prima di questo ( Kleine et al. , 2005 ).
Le simulazioni degli impatti ad alta risoluzione mostrano che la maggior parte del materiale destinato a formare la Luna proveniva dalle parti esterne di Theia piuttosto che dalla Terra ( Canup, 2004 ).
Oggi, a sostegno di questa tesi, abbiamo rilevato che sia la Terra e sia la Luna hanno composizioni isotopiche di ossigeno sostanzialmente identiche ( Wiechert et al. , 2001 - Wada et al. , 2006 ).
Ciò suggerisce che la Terra e Theia provenissero dalla stessa regione della nebulosa solare .
Le varie simulazioni che riproducono con successo le caratteristiche del sistema Terra-Luna implicano una collisione a bassa velocità e ciò suggerisce anche che i due corpi orbitavano all'incirca alla stessa distanza dal Sole.

Il momento angolare di rotazione del sistema Terra-Luna è straordinariamente alto rispetto a quello di Marte, Venere o della sola Terra.
Alcuni eventi o processi hanno fatto aumentare il sistema rispetto agli altri pianeti terrestri . Tuttavia, il momento angolare del sistema Terra-Luna (3,41 × 10E41 g·cm2/s) non è sufficientemente elevato da consentire la fissione classica .
Se tutta la massa del sistema Terra-Luna fosse concentrata nella Terra, la Terra ruoterebbe per un periodo di 4 ore. Tuttavia questa rapida rotazione non è sufficiente per indurre la fissione, anche in una Terra completamente fusa.

Perdita atmosferica:
La formazione dei pianeti terrestri del sistema solare si è conclusa con un periodo di impatti giganteschi. Precedenti lavori che esaminano la perdita volatile causata dallo shock dell'impatto che ha portato alla formazione della luna, trovano perdite atmosferiche al massimo del 20-30% e sostanzialmente nessuna perdita di oceani.
Tuttavia, impatti giganteschi comportano anche il riscaldamento termico, che può portare a una significativa fuga atmosferica attraverso un vento di tipo Parker.

Ipotizziamo che l'acqua e altre specie degassate di peso molecolare medio-alta possono essere efficacemente perse attraverso questo vento termico se presenti in un'atmosfera dominata dall'idrogeno, alterando sostanzialmente l'inventario volatile finale dei pianeti terrestri.
In particolare, dimostriamo che un impatto gigantesco di un embrione delle dimensioni di Marte, come Theia, con una proto-Terra può rimuovere la quantità di acqua di diversi oceani terrestri ed anche altre specie volatili più pesanti, insieme ad un'atmosfera primordiale a idrogeno.

( Nel grafico riportiamo le simulazioni, dimostrando che un impatto come quello con Theia possa aver portato via oltre all'involucro di idrogeno-elio, anche un volume d'acqua pari ad almeno 5 volte quello presente oggi ).

Questi risultati possono offrire una spiegazione per l'esaurimento osservato nel bilancio dei gas nobili leggeri sulla Terra e per l'esaurimento dello xeno, il che suggerisce che la Terra abbia subito una significativa perdita atmosferica entro la fine del suo accrescimento.
Poiché gli embrioni planetari sono abbastanza massicci da trattenere involucri di idrogeno primordiali e perché gli impatti giganteschi sono stocastici e si verificano in concomitanza con altri processi evolutivi atmosferici iniziali, i nostri risultati suggeriscono un'ampia diversità degli involucri atmosferici tra prima e dopo un impatto di dimensioni planetarie.

LINK (PDF) : https://arxiv.org/pdf/2007.01446.pdf 

Il sistema Terra-Luna è una rarità?
L'origine del sistema Terra-Luna è in ultima analisi collegata alla domanda "Come si crea un pianeta abitabile?"
Alcuni studiosi hanno sostenuto che la Terra è il pianeta più diversificato in 10.000 anni luce di spazio, sebbene la vasta gamma di pianeti extrasolari che vengono scoperti ultimamente sfida seriamente questa conclusione.
Una ragione per pensare che la Terra sia un tipo di pianeta raro riguarda la questione di come realizzare una grande Luna che mantenga bassa l'obliquità della Terra e stabilizzi così il suo clima (Williams & Pollard, 2000). La modellazione estesa negli ultimi anni mette in discussione l'unicità del sistema Terra-Luna, suggerendo che durante la formazione planetaria satelliti come la Luna possono formarsi in una vasta gamma di condizioni ( Righter, 2007 ).
In effetti, il satellite di Plutone, Caronte, si ipotizza che potrebbe essersi formato in modo simile alla Luna. Sebbene non sia ancora possibile risolvere pianeti extrasolari piccoli come la Terra, diversi pianeti extrasolari più grandi sono stati segnalati con una componente rocciosa e probabilmente hanno acqua.

( Il sistema extra-solare Trappist-1, confrontato con i pianeti terrestri ).

Evoluzione della biosfera
a seguito di impatti asteroidali:
Le evidenze del sistema Terra-Luna suggeriscono che il tasso di craterizzazione si era sostanzialmente stabilizzato a qualcosa che si avvicinava a un valore costante di 3,0 miliardi di anni fa. Sebbene non si verificassero più impatti importanti, vi erano ancora impatti occasionali che causavano crateri nella gamma dimensionale di circa 100 km.
Si ritiene che la Luna abbia in parte schermato la Terra proteggendola da una parte importante di impatti catastrofici e stabilizzando le condizioni climatiche, impedendo forti oscillazioni dell'asse terrestre.
La documentazione terrestre contiene i resti delle strutture di Sudbury, in Canada e Vredefort, in Sudafrica , che hanno portato a stime dei diametri originali del cratere rispettivamente di ∼250 km e ∼300 km, ed età di ∼2 miliardi di anni fa. È improbabile che eventi di queste dimensioni abbiano causato significativi cambiamenti a lungo termine nella geosfera solida , ma probabilmente hanno influenzato la biosfera della Terra.
In aggiunta a questi Precambriani crateri da impatto, una serie di anomali depositi di sferule con età compresa tra ~2.0 a 3,5 Ga. Sono stati scoperti in tempi relativamente recenti in Australia e Sud Africa. Le prove geochimiche e fisiche indicano un'origine di impatto per alcuni di questi depositi; al momento, tuttavia, i loro crateri di origine sono sconosciuti. Se, come indicato, uno di questi depositi di sferule in Australia è temporalmente correlato a uno in Sudafrica, la sua estensione spaziale sarebbe superiore a 32.000 km2   .

CHICXULUB E LA SCOMPARSA DEI DINOSAURI:
Al momento, l'unico caso di un legame fisico e chimico diretto tra un evento di grande impatto e i cambiamenti nella documentazione biostratigrafica si trova al "confine cretaceo-paleogene", che si è verificato ∼65 milioni di anni fa.
Le prove fisiche a livello mondiale per l'impatto includono: microscopiche deformazioni planari prodotte da shock nel quarzo e in altri minerali; la presenza di stishovite (un polimorfo ad alta pressione di quarzo) e diamanti a impatto; minerali ad alta temperatura ritenuti condensati di vapore ; e varie sferule di fusione ad impatto generalmente alterate. Le prove chimiche consistono principalmente in un'anomalia geochimica, indicativa di una miscela di materiale meteoritico, in indisturbate sezioni del Nord America, che sono stati trovati nelle paludi e in stagni a terra, ed il confine è costituito da due unità: uno più basso, legato alla balistica del materiale espulso , ed una superiore, legata alla dispersione atmosferica nella palla di fuoco impatto e la successiva ricaduta su un periodo di tempo. Questo strato da ''palla di fuoco'' si verifica in tutto il mondo, ma l'orizzonte delle eiezioni è noto solo in Nord America.

Il confine tra Cretaceo e Paleogene segna un'estinzione di massa nella documentazione biostratigrafica della Terra.
Inizialmente, si pensava che la polvere nell'atmosfera causasse l'oscuramento globale, la cessazione della fotosintesi e il raffreddamento. Altri potenziali meccanismi di uccisione sono stati suggeriti.
La fuliggine, ad esempio, è stata identificata anche nei depositi di confine e la sua origine è stata attribuita a incendi dispersi a livello globale. La fuliggine nell'atmosfera potrebbe aver migliorato o addirittura sopraffatto gli effetti prodotti dalle nuvole di polvere globali.
Di recente, è stata posta una crescente enfasi sulla comprensione degli effetti degli ejecta vaporizzati e sciolti sull'atmosfera.
Modelli della radiazione termica prodotta dal rientro balistico di ejecta condensato dal vapore e dal pennacchio di fusione dell'impatto indicano il verificarsi di un impulso di radiazione termica sulla superficie terrestre. Il modello di sopravvivenza degli animali terrestri 65 milioni di anni fa è in generale d'accordo con l'idea che questo intenso impulso termico sia stato il primo colpo globale alla biosfera.

Sebbene la documentazione relativa ai depositi al confine tra Cretaceo e Paleogene sia coerente con l'insorgenza di un impatto notevole, è chiaro che molti dettagli dei potenziali meccanismi di uccisione e dell'estinzione di massa associata non sono completamente noti. Il "cratere killer" è stato identificato come la struttura di ∼180  km di diametro, noto come Chicxulub, sepolto sotto ∼1  km di sedimenti nella penisola dello Yucatan, in Messico. Le variazioni nella concentrazione e nella dimensione dei grani di quarzo sconvolti e lo spessore dei depositi al contorno, in particolare lo strato di ejecta, puntavano verso un cratere di origine in America Centrale. Minerali scioccati sono stati trovati in depositi sia interni che esterni alla struttura Chicxulub, così come le rocce di fusione a impatto, con un'età isotopica di 65 Ma.

Chicxulub può fornire la chiave per potenziali meccanismi di estinzione. Le rocce target includono depositi di (CaSO4) e modelli di calcolo per l'impatto di Chicxulub indicano che la SO2 rilasciata avrebbe inviato ovunque tra 30 e 300 miliardi di tonnellate di acido solforico nell'atmosfera, a seconda delle condizioni di impatto esatte. Gli studi hanno dimostrato che l'abbassamento delle temperature a seguito di grandi eruzioni vulcaniche è principalmente dovuto agli aerosol di acido solforico. I modelli, utilizzando sia la stima superiore che quella inferiore della massa di acido solforico creata dall'impatto di Chicxulub, portano a un calo calcolato della temperatura globale di diversi gradi Celsius. L'acido solforico alla fine ritornerebbe sulla Terra sotto forma di pioggia acida, il che provocherebbe l'acidificazione dell'oceano superiore e potenzialmente porterebbe a estinzioni marine. Inoltre, il riscaldamento ad impatto di azoto e ossigeno nell'atmosfera produrrebbe gas NOx che influenzerebbero lo strato di ozono e, quindi, la quantità di radiazione ultravioletta che raggiunge la superficie terrestre. Come gli aerosol contenenti zolfo, questi gas reagirebbero con l'acqua nell'atmosfera formando acido nitrico, che comporterebbe ulteriori piogge acide.

La frequenza degli eventi delle dimensioni di Chicxulub sulla Terra è dell'ordine di uno ogni ∼100  Ma. Impatti minori, ma comunque significativi, si verificano su scale temporali più brevi e potrebbero influenzare il clima terrestre e la biosfera a vari livelli. Alcuni calcoli del modello suggeriscono che la polvere viene iniettata nell'atmosfera dalla formazione di crateri da impatto di appena 20 km potrebbe produrre riduzioni della luce globali e sbalzi di temperatura. Tali impatti si verificano sulla Terra con una frequenza di circa due o tre ogni milione di anni, ma è improbabile che abbiano un grave impatto sulla biosfera. La componente più fragile dell'attuale ambiente, tuttavia, è la civiltà umana, che dipende fortemente da un'infrastruttura organizzata e tecnologicamente complessa per la sua sopravvivenza. Sebbene raramente pensiamo alla civiltà in termini di milioni di anni, non vi è dubbio che se la civiltà dura abbastanza a lungo, potrebbe soffrire gravemente o addirittura essere distrutta da un evento di impatto.

TUNGUSKA:
Gli impatti possono verificarsi su scale storiche. Ad esempio, l'evento di Tunguska in Russia nel 1908 fu dovuto all'esplosione atmosferica di un corpo relativamente piccolo ad un'altitudine di ∼10 km.
L'energia rilasciata, basata su quella richiesta per produrre i disturbi sismici osservati, è stata stimata nell'equivalente di un esplosione di ∼10 megatoni di Trinitrotoluene (TNT).
Sebbene l'esplosione abbia causato la devastazione di ∼2000 km2 della foresta siberiana, non vi fu alcuna perdita di vite umane. Eventi come Tunguska si verificano su scale temporali di 1000 anni. Fortunatamente, il 70% della superficie terrestre è oceanica e la maggior parte della superficie terrestre non è densamente popolata. Tali impatti oceanici, tuttavia, potrebbero provocare devastanti ondate di tsunami nelle zone costiere.

BENEFICI PER LA VITA:
Oltre ai suddetti effetti deleteri degli impatti dei meteoriti , è diventato evidente negli ultimi dieci anni che gli eventi di impatto producono numerosi effetti benefici rispetto alla vita microbica. Ancora più importante, è noto che gli eventi di impatto producono diversi habitat che sono altamente favorevoli alla vita e che non erano presenti prima dell'evento di impatto.

Gli habitat principali includono:
 (1) sistemi idrotermici generati da impatto , che potrebbero fornire habitat per microrganismi termofili e ipertermofili.
 (2) rocce cristalline trattate con impatto, che hanno aumentato la porosità e la traslucenza rispetto ai materiali non sguainati, migliorando la colonizzazione microbica.
 (3) vetri da impatto, che, simili ai vetri vulcanici, forniscono un'ottima fonte prontamente disponibile di elementi bioessenziali.
 (4) laghi da cratere da impatto, che formano protetti bacini sedimentari con varie nicchie e che aumentano il potenziale di conservazione di fossili e materiale organico. 

Pertanto, i crateri da impatto, una volta formati sulla Terra antica e, per analogia su Marte e altri pianeti, potrebbero aver rappresentato i siti principali che fungevano da nicchie protette, dove la vita avrebbe potuto sopravvivere e evolversi e, più speculativamente, forse originarsi.

Di questi habitat, quello che ha ricevuto maggiore attenzione è il sistema idrotermico generato dall'impatto . Ciò deriva dal lungo suggerimento che i sistemi idrotermali potrebbero aver fornito habitat o "culle" per l'origine e l'evoluzione della prima vita sulla Terra e forse altri pianeti, come Marte. Ciò è coerente con gli organismi più antichi dell'albero della vita terrestre, essendo di natura termofila (temperature di crescita ottimali >50° C) o ipertermofila (temperature di crescita ottimali >80° C). Studi su una serie di strutture di impatto sulla Terra suggeriscono che la maggior parte degli eventi di impatto che portano alla formazione di crateri da impatto complessi (cioè > 2–4 e > 5–10 km di diametro sulla Terra e su Marte, rispettivamente) sono potenzialmente in grado di generare un sistema idrotermico.
Gli studi sulla struttura dell'impatto di Haughton nell'Artico canadese suggeriscono che ci sono sei posizioni principali all'interno e intorno ai crateri da impatto in cui possono formarsi depositi idrotermici generati da impatto :
 (1) rocce di fusione a impatto di riempimento del cratere e brecce che si fondono;
 (2) interno dei montanti centrali;
 (3) margine esterno di elevazioni centrali;
 (4) impatto sui depositi di ejecta;
 (5) regione del bordo del cratere;
 (6) sedimenti lacustri post-impatto del cratere . 
La questione se si formino sistemi idrotermici generati da impatto nei crateri di altre parti del Sistema solare rimane aperta, tuttavia, nel 2010, tale prova è stata presentata dal cratere Toro su Marte.

È diventato evidente negli ultimi due decenni che gli eventi di impatto hanno profondamente influenzato l'evoluzione della vita sulla Terra e possono anche aver influenzato le origini della vita.

IPOTESI PANSPERMIA:
C'è anche l'eccezionale questione del potenziale trasferimento della vita da un altro pianeta sulla Terra attraverso eventi di impatto. Gli esperimenti hanno dimostrato che alcuni organismi possono sopravvivere al processo di impatto e alle dure condizioni dello spazio, almeno per il periodo di tempo in cui questi esperimenti sono stati condotti, che è ovviamente limitato dalla durata della vita umana e dalle carriere della ricerca.
Se la vita avrebbe potuto essere espulsa, sopravvissuto al potenziale viaggio di diversi millenni nello Spazio, sopravvivere all'impatto sulla Terra e quindi avere la capacità di colonizzare questo pianeta, rimane solamente una ipotetica congettura in questo momento.

Movimenti:

I moti di Terra e Luna:
Rispetto alle stelle fisse, la Luna completa un'orbita attorno alla Terra in media ogni 27,321661 giorni, pari a 27 giorni, 7 ore, 43 minuti e 12 secondi (mese siderale).
Il suo periodo tropico medio, calcolato da equinozio a equinozio, è invece di 27,321582 giorni, pari a 27 giorni, 7 ore, 43 minuti e 4,7 secondi.
Un osservatore sulla Terra conta circa 29,5 giorni tra una nuova luna e la successiva, per via del contemporaneo movimento di rivoluzione del pianeta.
Più esattamente il periodo sinodico medio tra due congiunzioni solari è di 29,530589 giorni, cioè 29 giorni, 12 ore, 44 minuti e 2,9 secondi.

La Terra e la Luna orbitano attorno a un centro di massa comune, che si trova a una distanza di circa 4.700 km dal centro della Terra. Poiché questo centro si trova dentro alla massa terrestre il moto della Terra è meglio descritto come un'oscillazione. Viste dal Polo nord della Terra l'orbita della Luna attorno alla Terra e l'orbita di questa attorno al Sole avvengono tutte in senso antiorario.
Il sistema Terra-Luna , secondo alcuni , non può essere considerato un pianeta doppio perché il centro di gravità del sistema Terra-Luna non è esterno al pianeta, ma è localizzato 1.700 km al di sotto della superficie terrestre, circa un quarto del raggio terrestre.

A differenza di quanto accade per gli altri satelliti naturali del sistema solare, la Luna è eccezionalmente grande rispetto al pianeta attorno a cui orbita. Infatti, il suo diametro e la sua massa sono pari rispettivamente a un quarto e a 1/81 di quelli terrestri. Nel sistema solare, solo Caronte nel confronto con Plutone ha dimensioni proporzionalmente maggiori, avendo una massa pari all'11,6% di quella del suo primario.
Satelliti di dimensioni confrontabili con quelle della Luna orbitano attorno ai giganti gassosi (Giove e Saturno), mentre i pianeti più affini alla Terra o non hanno satelliti (Venere e Mercurio) o ne hanno di minuscoli (Marte).
Il piano dell'orbita lunare è inclinato di 5°8' rispetto a quello dell'orbita della Terra intorno al Sole (il piano dell'eclittica). Le perturbazioni gravitazionali del Sole impongono all'orbita lunare un moto di precessione, in senso orario, con periodo di 18,6 anni; questo movimento è correlato alle nutazioni terrestri, che possiedono infatti lo stesso periodo. I punti in cui l'orbita lunare interseca l'eclittica sono chiamati nodi lunari. Le eclissi solari accadono quando un nodo coincide con una luna nuova, le eclissi lunari quando un nodo coincide con una luna piena.

Librazione:
Dato che il moto di rivoluzione attorno alla Terra non è perfettamente circolare (vedi sopra), velocità di rotazione e distanza dalla Terra variano leggermente durante un'orbita e i moti di rotazione e rivoluzione presentano degli sfasamenti tali da creare oscillazioni apparenti di lieve entità nel moto di rotazione lunare dette librazioni; anche la precessione del piano dell'orbita contribuisce, sebbene in misura minore, alle oscillazioni di librazione.
Questi sfasamenti consentono ad alcune zone delle superficie lunare di essere visibili per alcuni intervalli di tempo da un osservatore a Terra. Oltre a questo, si aggiunge anche una leggera oscillazione diurna apparente dovuta al moto dell'osservatore sulla superficie terrestre: il medesimo osservatore vedrà la Luna sotto un'angolazione diversa dal momento in cui essa sorge dall'orizzonte al momento in cui tramonta a causa dello spostamento del punto di osservazione dovuto alla rotazione terrestre. Come conseguenza di tutti questi fattori, dalla Terra è osservabile un po' più della metà della superficie lunare (circa il 59%).

L'allontanamento della Luna:
Il successo dell'esperimento Lunar Laser Ranging, a seguito delle missioni Apollo e Lunokhod, ha permesso di rivelare con precisione millimetrica la distanza tra la Terra e la Luna e di misurare l'effettivo allontanamento dei due corpi nel corso degli anni. La Luna si allontana infatti di 3,8 centimetri all'anno.
L'allontanamento progressivo della Luna dalla Terra è dovuto alle forze di marea esercitate dal satellite sul pianeta. Le masse d'acqua oceaniche presenti sulla Terra vengono attratte dalla Luna e si protendono nella direzione Terra-Luna, con un leggero disallineamento a causa del periodo di rotazione terrestre inferiore al periodo di rivoluzione lunare. L'attrazione che la Luna esercita su questo lobo di marea ha una componente nella direzione opposta alla rotazione terrestre. Questa azione comporta un rallentamento del momento angolare terrestre, mentre la sua reazione incrementa il momento angolare della Luna con un suo conseguente e progressivo trasferimento su un'orbita a quota più elevata. Da notare che, sebbene la Luna venga accelerata, la velocità del suo moto diminuisce a causa dell'aumento della quota dell'orbita.

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A cura di Andreotti Roberto.

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