Il Sole: struttura e spiegazione della stella del Sistema Solare

Il Sole: struttura e spiegazione della stella del Sistema Solare A cura di Francesca Cusa.

Il Sole: spiegazione, struttura e caratteristiche della stella del Sistema Solare, con approfondimento sull'attività del Sole e le tempeste solari

1Il Sole: premesse

Il Sole visto da una delle sonde della Nasa
Il Sole visto da una delle sonde della Nasa — Fonte: ansa

Il Sole è l’unica Stella ben visibile ai nostri occhi. Ci appare come una sfera gialla e, senza renderci conto, ha una notevole influenza sulla nostra vita quotidiana. È infatti indubbio che una giornata soleggiata, con un bel Sole e un clima mite, ci faccia venire voglia di fare una passeggiata all’aria aperta o al mare e ci metta di buonumore. 

2L'origine del Sole e del Sistema Solare

La storia del Sistema Solare risale a circa 5 miliardi di anni fa e ancora oggi la sua formazione e la sua evoluzione sono al centro di numerosi studi scientifici. Nel corso degli anni, infatti, sono state formulate diverse teorie sulla nascita del Sistema Solare, alcune delle quali ritenute totalmente inaccettabili.  

I primi studi in “chiave moderna” risalgono al 1755 quando Kant, sostenuto in seguito da Laplace, elaborò l’ipotesi della nebulosa. Secondo la teoria nebulare di Kant e Laplace, il Sistema Solare ha avuto origine da una nebulosa che inizialmente ruotava su se stessa. In seguito, grazie all’effetto della forza di gravità, questa nube avrebbe iniziato a contrarsi aumentando la sua velocità di rotazione fino ad assumere una forma appiattita in cui un nucleo centrale era circondato da un disco esterno. Per mezzo dell’azione della forza centrifuga, dalla massa centrale si sarebbero poi separati e allontanati degli anelli di materiale gassoso che, una volta condensati, avrebbero dato origine a pianeti e satelliti

Ritratto di Immanuel Kant
Ritratto di Immanuel Kant — Fonte: getty-images

Verso il 1900 J. Jeans propose una nuova teoria, nota come teoria catastrofica, secondo la quale ci sarebbe stato un incontro ravvicinato tra il Sole ed un’altra stella, provocando una violenta onda di marea. Da tale evento si sarebbe verificata un’estrazione di materia dalla massa solare con conseguente formazione dei pianeti. Questa teoria non fu però considerata attendibile in quanto il materiale espulso dalla massa solare nello spazio si sarebbe disperso e non condensato per formare i pianeti. 

Al giorno d’oggi è, invece, considerata accettabile la teoria dell’accumulazione, secondo la quale il Sole e gli altri corpi del Sistema Solare si formarono contemporaneamente all’interno di una nube primordiale ricca di idrogeno, elio e polveri cosmiche. La nebulosa primordiale, dotata di un lento moto di rotazione su se stessa, avrebbe quindi iniziato a contrarsi circa 5 miliardi di anni fa e sotto la spinta della forza gravitazionale avrebbe iniziato a collassare su se stessa, assumendo la forma di un disco appiattito. Al centro di questo disco si sarebbe accumulata la maggior parte della materia originaria mentre la materia residua si sarebbe condensata intorno dando origine ad una serie di anelli periferici in rotazione. Il collasso gravitazionale della zona centrale, più densa e calda, avrebbe quindi portato alla formazione del Sole mentre negli anelli periferici, più freddi e meno densi, in seguito all’accumulazione e condensazione di polveri e gas, si sarebbero formati i pianeti.

3Il Sole

Il Sole dista da noi circa 149,6 milioni di km, ha un diametro pari a 110 diametri terrestri ed un volume superiore a più di un milione di volumi terrestri. A causa della densità media solare nettamente inferiore a quella della Terra (circa 5,5 g/cm3), si è potuto ipotizzare la presenza di elementi leggeri come idrogeno (94%) ed elio (5,9%).

Il Sole viene quindi considerato come la Stella più vicina alla Terra ed è l’unica che, quando guardiamo il cielo, non ci appare come un punto ma si presenta come una gigantesca sfera di gas ionizzati che irradia energia in ogni direzione dello spazio sotto forma di radiazioni elettromagnetiche. Solo una piccola frazione di energia (circa mezzo miliardesimo dell’energia totale emessa dal Sole) arriva sulla superficie terrestre, influenzando notevolmente i cicli biologici, il clima, la luce e indirettamente le attività umane.

Come le altre Stelle, il Sole è una sfera ad altissima temperatura: la superficie solare, infatti, sfiora i 6000 K mentre il “cuore” del Sole, dove l’idrogeno viene trasformato in elio, raggiunge temperature intorno ai 15 milioni di K

Il Sole è inoltre considerato una Stella vecchia e stabile caratterizzata fondamentalmente da due tipi di movimento: un moto di traslazione, che compie insieme al Sistema Solare, ed un moto di rotazione, in direzione Ovest – Est, intorno al proprio asse.
In tabella sono indicate le principali caratteristiche del Sole:

Le caratteristiche del Sole
Le caratteristiche del Sole — Fonte: redazione

4La struttura del Sole

Il Sole è una sfera di gas ad altissima temperatura suddivisa in zone concentriche, differenti per temperatura, pressione e densità. Per semplicità si suole suddividere il Sole fondamentalmente in due zone: una zona interna, non visibile, e una zona esterna (atmosfera solare).
La zona interna è costituita dal nucleo, una zona radiativa ed una zona convettiva, mentre la zona esterna è costituita dalla fotosfera, dalla cromosfera e dalla corona solare.

Il nucleo centrale è la sede delle reazioni termonucleari che generano l’energia della Stella. La sua pressione, la sua densità e la sua temperatura raggiungono valori elevatissimi tanto che la materia presente si trasforma in plasma.
La zona radiativa, detta anche zona di radiazione, si estende intorno al nucleo assorbendo l’energia prodotta da quest’ultimo e trasmettendola per irraggiamento agli strati convettivi più esterni. In questa zona la materia si trova sotto forma di plasma e i gas non sono liberi di muoversi per l’elevata pressione presente.
La zona convettiva, o zona di convezione, ha uno spessore di circa il 30% del raggio solare, è situata immediatamente al di sopra della zona radiativa ed è caratterizzata dai moti convettivi del gas che permettono il trasferimento del calore verso la superficie del Sole. 

Adiacente alla zona convettiva, è presente la fotosfera, il disco luminoso che noi vediamo. La fotosfera è la regione che filtra e riceve l’energia prodotta all’interno del Sole, è costituita per il 90% da idrogeno e per circa il 10% da elio, ha una pressione superficiale pari a 1/10 di quella terrestre ed ha una temperatura media di 6000 K che determina il colore giallo del Sole. La fotosfera è caratterizzata dalla presenza di zone luminose e calde chiamate granuli, i quali scompaiono dopo pochi minuti per essere sostituiti con granuli nuovi, e da aree più scure e fredde note come macchie solari.
Immediatamente al di sopra della fotosfera, per circa 10000 km, è presente uno strato irregolare di gas rarefatto ed incandescente conosciuto come cromosfera, caratterizzata da un colore rossastro a causa degli atomi di idrogeno che a basse pressioni emettono radiazioni colorate.
L’ultimo strato del Sole è la corona solare, una regione non ben delimitata, costituita da gas ionizzati distribuiti in modo irregolare e da zone prive di gas dette buchi coronali. A causa delle altissime temperature che caratterizzano la corona, i protoni e gli elettroni presenti nei gas ionizzati, per sfuggire all’attrazione gravitazionale del Sole, originano dei flussi in tutte le direzioni dello spazio: questo fenomeno è noto come vento solare. La corona solare e la cromosfera costituiscono l’atmosfera esterna del Sole.  

5L'attività del Sole

Le macchie solari sulla fotosfera del Sole
Le macchie solari sulla fotosfera del Sole — Fonte: ansa

La superficie del Sole può apparire come una regione estremamente tranquilla. In realtà, la superficie solare è caratterizzata da un’alternanza di periodi tranquilli, detti di sole quieto, e periodi di attività solare.
Le più note attività solari sono le macchie solari, delle ampie zone scure e fredde presenti nella fotosfera e caratterizzate da un nucleo centrale (ombra) circondato da una zona chiara (penombra).

Le macchie di solito hanno una vita breve, si trovano in gruppi o in coppie e cambiano continuamente la loro posizione verso l’equatore in funzione della latitudine. Ad ogni macchia solare viene associato un campo magnetico locale che ostacola l’afflusso di gas caldi all’interno del Sole e che è il probabile responsabile di una riduzione della temperatura in queste zone.
Le macchie solari sono generalmente caratterizzate da quattro zone attive:

  • Le facole sono delle zone estremamente luminose presenti in prossimità delle macchie solari
  • Le protuberanze sono delle enormi emissioni di materiale incandescente che si allontana dal Sole
  • Le spicole sono delle “lingue” di idrogeno che attraversano la fotosfera e penetrano nella corona solare
  • I brillamenti si manifestano come un’intensa luminosità della fotosfera in corrispondenza di un raggruppamento di macchie solari. Durante un brillamento viene liberata un’enorme quantità di energia sotto forma di raggi X, radiazioni ultraviolette e onde radio, che può avere ripercussioni sugli equipaggi delle missioni spaziali. Spesso i brillamenti vengono associati a delle espulsioni coronali di massa, note come tempeste o eruzioni solari.

6Le tempeste solari

Un'immagine della tempesta solare avvenuta a febbraio 2016
Un'immagine della tempesta solare avvenuta a febbraio 2016 — Fonte: ansa

Le tempeste solari sono dei fenomeni in cui si verificano, da parte della corona solare, delle forti emissioni di materia, la quale genera il cosiddetto vento solare, cioè uno sciame di particelle ad alta energia che in poco più di 24 ore arriva a colpire il campo magnetico terrestre. Per molteplici fattori non è certo che lo sciame di particelle raggiunga la Terra, ma è molto più probabile che arrivi ai poli.
L’unico dato certo è che nella fotosfera, in corrispondenza delle macchie solari, siano presenti degli intensi campi magnetici i quali, durante i brillamenti, rilasciano enormi quantitativi di energia, trasformandola in energia cinetica, termica e di radiazione.  

L’arrivo di una tempesta solare può provocare numerosi disagi alla Terra e ai suoi abitanti: si possono, infatti, riscontrare danni ai sistemi Gps, ai satelliti per le telecomunicazioni o addirittura dei veri e propri blackout di intere regioni. Un’ulteriore conseguenza del verificarsi di una tempesta solare sarebbe l’aumento di diverse patologie, come ad esempio i tumori, che non si manifesterebbero nell’immediato ma negli anni successivi. Ciò sarebbe causato dal fatto che le radiazioni solari impattando sul pianeta potrebbero arrivare fino a noi anche se attutite dalla protezione dell’atmosfera e del nostro campo magnetico.

Foto di un'aurora boreale
Foto di un'aurora boreale — Fonte: ansa

Gli studi compiuti sul Sole hanno inoltre dimostrato che la sua attività aumenta o diminuisce negli anni. In base a questi dati, si è potuto ipotizzare che si verifichi una mega tempesta solare ogni 150 anni. La storia ricorda quattro importanti tempeste solari diventate per la Terra tempeste magnetiche di elevata intensità: nel 1859, nel 1921, nel 1989 e nel 2003. In nessuno di questi eventi l’umanità ha avuto dei grossi problemi, ma l’unica conseguenza, soprattutto nel 1859, fu la comparsa di aurore boreali.

L’ aurora boreale, detto anche aurora polare o australe a seconda dell’emisfero in cui si verifica, è uno spettacolare fenomeno ottico dell’atmosfera terrestre causato dall’interazione tra particelle solari e gas presenti nell’atmosfera.
Questo fenomeno è causato dalla ionizzazione degli atomi presenti nella regione più esterna dell’atmosfera terrestre con conseguente emissione di una tenue luce colorata che si può osservare solo nelle zone polari perché i corpuscoli solari riescono a penetrare l’atmosfera.