Introduzione
Una componente chiave affinché un pianeta possa ospitare la vita è la presenza di acqua liquida. Per questo motivo è importante che la radiazione che riceve dalla sua stella sia adeguata a mantenere le temperature al di sopra del valore che permette all’acqua di rimanere allo stato liquido.
A causa di questa caratteristica per cui un pianeta potenzialmente abitabile riceve calore da una stella alla giusta distanza, questo pianeta può essere visto come una macchina della vita il cui motore ha bisogno della giusta potenza per essere messo in moto.
Introdurre l’argomento facendo domande sul Sistema Solare (pianeti e composizione) e dove in esso la vita si è evoluta. In alternativa, cominciare una discussione sulle condizioni necessarie a sostenere la vita su pianeti diversi dalla Terra (come Venere o Marte).
Domanda 1: C’è vita su Marte?
Risposta che ci si aspetta dalla discussione: Non abbiamo trovato alcuna prova della sua presenza.
Domanda 2: C’è acqua liquida su Marte?
Risposta che ci si aspetta dalla discussione: Molto poca. Perlomeno non così tanta da potersi aspettare mari, laghi e fiumi.
Domanda 3: Perchè le due cose sono correlate?
Risposta che ci si aspetta dalla discussione: L’acqua è il fattore chiave per la vita. Senza di essa, la vita per come la conosciamo non è possibile.
Chiedere agli studenti se hanno sentito parlare di pianeti in orbita attorno ad altre stelle che non siano il Sole.
Domanda 4: Cosa serve per mantenere la vita su altri pianeti?
Risposta che ci si aspetta dalla discussione: Ci sono alcune condizioni che favoriscono la formazione e il mantenimento della vita, ma quella fondamentale è ancora una volta l’acqua. Il calore serve soltanto per mantenere l’acqua allo stato liquido, almeno in alcune zone del pianeta.
Le altre condizioni utili allo sviluppo della vita sono le fonti di energia (luminosa, chimica) o il campo magnetico che protegga dalla radiazione di particelle ionizzanti. Quest’ultima condizione non è rilevante se la vita si sviluppa negli oceani.
Domanda 5: Quali condizioni sono necessarie per mantenere l’acqua allo stato liquido?
Risposta che ci si aspetta dalla discussione: Calore, e in alcuni casi, la presenza di sali. Questi abbassano la temperatura di fusione dell’acqua.
Domanda 6: Cosa fornisce alla Terra e agli altri pianeti il calore necessario per mantenere l’acqua liquida?
Risposta che ci si aspetta dalla discussione: Le stelle, in particolare il Sole nel nostro sistema solare. L’effetto serra generato nell’atmosfera aiuta a innalzare le temperature.
Domanda 7: Cosa succede all’acqua quando fa troppo freddo o troppo caldo?
Risposta che ci si aspetta dalla discussione: L’acqua ghiaccia o bolle ed evapora (nota: nella risposta e in generale nell’attività non si tiene mai conto della pressione. Dato che è anch’esso un fattore importante si potrebbe aggiungere una postilla).
Il seguente esperimento è una semplice analogia in cui la stella è rappresentata da una lampada e il pianeta da celle fotovoltaiche collegate a un motore.
Attività 1: La macchina della vita
Materiale :
- proiettore, lampada potente
- Dimmer per regolare la luminosità
- metro
- celle fotovoltaiche collegate a un motore elettrico o una ventola (assicurarsi che la potenza generata dalle celle sia adeguata per azionare il motore)

Figura 7: La figura mostra le saldature tra la cella fotovoltaica e una ventola per computer. Qui, le connessioni possono essere interrotte attraverso micro plugs. La polarità è indicata accanto ai punti di saldatura delle celle fotovoltaiche. (M. Nielbock).
Preparazione dell’esperimento
- Saldare il motore alle celle fotovoltaiche. Di solito questo passaggio risulta molto semplice. Le celle hanno dei punti in cui è possibile saldare, con le polarità indicate. Si devono quindi soltanto usare i cavi (generalmente attaccati al motore) e unirli ai corrispettivi poli elettrici delle celle (vedi Figura 7).
- Un disco di cartone colorato attaccato all’asse di rotazione del motore permetterà la visualizzazione della velocità del motore mentre è in moto. Se si usa una ventola, si potrebbero colorare le pale.
- Inserire la lampada nel dimmer e il dimmer nella presa di corrente.

Figura 8: Preparazione dell’esperimento (M. Türk).
Domanda 8: In che modo si comporterà il motore se le celle fotovoltaiche vengono messe a differenti distanze dalla lampada?
Risposta che ci si aspetta dalla discussione: La velocità di rotazione dipende dalla distanza, in particolare più lontano=più lento, più vicino=più veloce.
Procedura sperimentale
- Accendere la lampada.
- Posizionare le cellule fotovoltaiche lontano dalla lampada. Il motore deve essere fermo.
- spostarle più vicino alla lampada e determinare la distanza alla quale il motore comincia a funzionare.
- Ripetere la procedura con diverse luminosità della lampada usando il dimmer.
Compiti
1. Scrivere le proprie osservazioni. Descrivere i risultati ottenuti al variare della luminosità della lampada.
Risultati attesi: La distanza necessaria per attivare il motore elettrico è più piccola con la lampada a luminosità inferiore rispetto alla lampada a luminosità superiore.
2. Si può confrontare questo esperimento con la configurazione del Sistema Solare e le condizioni della sostenibilità della vita (rappresentata dal movimento del motore), poiché la Terra (rappresentata dalle stelle fotovoltaiche) è abbastanza vicina al Sole (rappresentato dalla lampada). Il punto nel quale il motore inizia a muoversi è il contorno più esterno della zona abitabile. Cosa ci dice l’esperimento rispetto agli esopianeti che potrebbero ospitare la vita in altri sistemi planetari con stelle diverse dal sole?
Risultati attesi: Un pianeta in un sistema planetario con una stella che è meno luminosa del Sole deve essere più vicino alla stella per poter essere nella zona abitabile.
Per ragazzi con più di 14 anni:
3. Cosa succede al motore quando le celle fotovoltaiche sono molto vicine alla lampada?
Risultati attesi: Ruota molto velocemente. Si surriscalda.
4. Possiamo aspettarci che un pianeta ospiti la vita a qualsiasi distanza all’interno della zona abitabile?
Risultati attesi: No, poiché quando la distanza decresce il pianeta riceve una radiazione troppo elevata. Questo comporta l’incremento del riscaldamento del pianeta. Se la temperatura è troppo elevata l’acqua non può esistere in forma liquida.
L’attività fornisce un’impressione qualitativa della natura e del principio basilare della zona abitabile. Ma come si presenta in realtà la zona abitabile? La prossima attività porta un esempio simile alla ricerca scientifica. Mostra come è possibile identificare la zona abitabile e i pianeti al proprio interno.
Attività 2: La zona abitabile di Kepler-62
Materiale:
- matite (nere e colorate)
- compasso
- carta millimetrata
- righello
- calcolatrice
- computer con accesso ad internet (può essere usato anche solo dall’insegnante)

Figura 9: Rappresentazione artistica dell’esopianeta Kepler-62f (NASA Ames/JPL-Caltech).
Kepler-62 è una stella leggermente più calda e più piccola del Sole. Fa parte della costellazione della Lira. Nel 2014, è stato scoperto attraverso il telescopio spaziale Kepler che questa stella ha 5 pianeti che le orbitano intorno. I dettagli di Kepler-62 son schematizzare nella Tabella 1.
Tabella 1: Proprietà di Kepler-62.
Proprietà |
Valore |
Nome |
Kepler-62 |
Distanza |
ca. 368 pc |
Tipo spettrale |
K2V |
Luminosità |
0,21 L⊙ |
Raggio |
0,64 R⊙ |
Massa |
0,69 M⊙ |
Temperatura superficiale |
4925 K |
Figura 10: Comparazione tra il Sistema Solare e il sistema planetario Kepler-62 (NASA Ames/JPL-Caltech).
Si pensa che alcuni dei 5 esopianeti di Kepler-62 assomiglino alla Terra. Le principali proprietà di questi pianeti sono riportate nella Tabella 2. Tutte le orbite dei pianeti sono quasi circolari e vengono riportate in unità astronomiche (AU). Un’unità astronomica è la distanza media tra il Sole e la Terra.
Tabella 2: Proprietà dei cinque esopianeti del sistema Kepler-62.
Nome |
Raggio orbitale (UA) |
Massa (masse terrestri) |
Kepler-62b |
0,0553 |
ca. 2,1 |
Kepler-62c |
0,093 |
ca. 0,1 |
Kepler-62d |
0,120 |
ca. 5,5 |
Kepler-62e |
0,427 |
ca. 4,5 |
Kepler-62f |
0,712 |
ca. 2,8 |
Compito (Disegnare un modello in scala)
Determinare o discutere una scala appropriata che permetta di disegnare l’intero sistema planetario su un unico foglio di carta.
Completare la tabella (Tabella 3) con i raggi delle orbite così scalati. Arrotondare i valori al millimetro.
Il modello mostrerà il sistema planetario visto dall’alto. Usare il compasso per tracciare le orbite circolari scalate attorno alla posizione assunta per la stella Kepler-62.
Successivamente, si dovrà aggiungere la zona abitabile. In prima approssimazione, si può applicare questa semplice equazione:

che dipende soltanto dalla luminosità della stella. Questa equazione indica a che distanza deve essere posizionato un pianeta simile alla Terra attorno a una stella simile al Sole di luminosità minore. Si usi la Tabella 1 per calcolare la distanza della zona abitabile di Kepler-62. Si noti che la distanza della zona abitabile è proporzionale alla radice quadrata della luminosità della stella.
Domanda: Usando questa semplice relazione, dove si può trovare la zona abitabile di una stella in riferimento al sistema solare se la la stella ha quattro volte la luminosità del Sole?
Risposta: Si troverà a distanza doppia se confrontata con la zona abitabile intorno al Sole.
Calcolare precisamente i confini della zona abitabile è difficile e necessita di modelli sofisticati. è possibile trovare un tool on line a questo link
che calcola la zona abitabile a partire dalla luminosità e dalla temperatura superficiale della stella. (questo passaggio può essere fatto dall’insegnante invece che dare a ogni studente l’accesso a un computer). La sola cosa necessaria è inserire la temperatura superficiale (Teff) e la luminosità della stella nei primi campi in alto, come mostrato in Figura 11.
Si noti che, dopo aver inserito il valore nel box, è necessario cliccare ancora nel riquadro per confermarlo ed evitare la sua cancellazione.

Figura 11: Screenshot del tool online per calcolare le dimensioni della zona abitabile. L’esempio in figura mostra i valori del Sole. Importante: dopo aver inserito i valori, è necessario cliccare nel box per confermare il valore digitato.
Usare i valori di Kepler-62 dalla Tabella 1. Usare i risultati contrassegnati dalle scritte ‘Conservative habitable zone limits (1 Earth mass)’ e ‘HZ distance from the star (AU)’. Aggiungere le distanze dei bordi interno ed esterno della zona abitabile che si trovano nella tabella sottostante (tabella 3) e calcolare il raggio scalato.
Tabella 3: Parametri orbitali del sistema planetario Kepler-62 (i valori in scala sono ottimizzati per un foglio A4 con una larghezza di 18 cm. Non vengono forniti con il foglio di lavoro).
Nome |
Raggio orbitale (UA) |
Raggio in scala (cm) |
Kepler-62b |
0,0553 |
0,60 |
Kepler-62c |
0,093 |
1,01 |
Kepler-62d |
0,120 |
1,30 |
Kepler-62e |
0,427 |
4,64 |
Kepler-62f |
0,712 |
7,74 |
Zona abitabile (raggio interno) |
0,456 |
4,96 |
Zona abitabile (raggio esterno) |
0,828 |
9,00 |
Domanda: Quanto la distanza della zona abitabile calcolata a partire dalla luminosità è in accordo coi calcoli del modello?
Risposta: Il valore calcolato è approssimativamente vicino al confine interno della zona abitabile calcolata in modo più accurato.
Domanda: Puoi pensare al perché la soluzione semplificata è così simile al valore al contorno della soluzione del modello più preciso? In che modo i due approcci differiscono? (Suggerimento: Se gli studenti hanno difficoltà con la risposta, far loro usare il link on line facendo loro usare la temperatura superficiale del Sole invece che la luminosità stellare.)
Risposta: L’approccio semplice non tiene conto della temperatura superficiale della stella.
Domanda (probabilmente più adatta solo per le classi più avanzate): In che modo il parametro mancante (temperatura superficiale) influenza la radiazione caratteristica di Kepler-62?
Risposta: Temperature minori significano spettri più rossi. Lo spettro di Kepler-62 contiene una quantità più elevata di radiazione infrarossa rispetto al Sole. Per questo motivo il riscaldamento delle atmosfere planetarie risulta più efficiente.
Ora aggiungere il bordo interno ed esterno della zona abitabile sul modello in scala del sistema planetario.
è possibile colorare la zona abitabile. Un colore appropriato potrebbe essere il verde.

Figura 12: Modello del sistema di Kepler-62 (soluzione non presentata agli studenti).
Domanda: Quali dei pianeti sono nella zona abitabile?
Risposta: Kepler-62f