La macchina della vita

Cosa rende un pianeta abitabile?

Marco Türk, University Heidelberg

Goals

capire la correlazione qualitativa tra la distanza di un pianeta da una stella e la densità di energia che colpisce il pianeta.
imparare che l’acqua liquida in un sistema planetario può essere presente solo in una zona confinata, cioè la zona abitabile.
capire che la ricerca di vita extra-terrestre come la conosciamo noi significa cercare le condizioni di mantenimento dell’acqua allo stato liquido.
capire che l’estensione della zona abitabile dipende dalla luminosità di una stella.

Learning Objectives

spiegare le condizioni chiave necessarie per trovare vita potenziale fuori dalla Terra.
spiegare le zone abitabili di un sistema planetario e le loro caratteristiche.
dimostrare come la densità di flusso ricevuta da un corpo dipende dalla sua distanza dalla sorgente.

Evaluation

Gli studenti dovranno essere in grado di spiegare, attraverso una rielaborazione personale, il fenomeno osservato.

Dovranno anche essere in grado di registrare e analizzare dati in autonomia, arrivando alle conclusioni necessarie.

Supportati, dovranno essere in grado di spiegare le loro osservazioni correttamente. Nel caso in cui i concetti di fisica necessari non siano stati rivisti, gli studenti dovranno essere in grado di spiegare le osservazioni attraverso parole proprie.

Chiedere agli studenti se c’è vita su Marte e se c’è acqua su Marte. Chiedere agli studenti se esiste una relazione tra queste due caratteristiche. Chiedere loro cosa serve perché si sviluppi la vita su altri pianeti. Le risposte dovranno indicare che l’acqua è il requisito più importante perché si mantenga la vita così come la conosciamo.

Chiedere agli studenti quali condizioni sono necessarie per mantenere l’acqua liquida (temperatura). Chiedere loro cosa fornisce alla Terra e ad altri pianeti il calore necessario per mantenere l’acqua liquida (il Sole). Dove e perché nel Sistema Solare ci sono i pianeti più caldi/più freddi (la temperatura decresce o cresce quando la distanza dal Sole cresce?). Come analogia, invitare gli studenti ad immaginare di tenere la mano vicino a un fornello. Chiedere loro come cambia la sensazione di caldo quando si sposta la mano ad altezza differente rispetto al fornello.

In sede di analisi dell’esperimento con la lampada e le celle fotovoltaiche, far notare agli studenti che la differenza di potenziale che le celle producono è proporzionale alla radiazione ricevuta. Idealmente, l’energia totale emessa dalla lampada è costante nel tempo. Quindi, per ogni distanza dalla lampada, l’energia ricevuta è la stessa. Chiedere agli studenti di immaginare di mettere alcuni pannelli solari attorno alla lampada che ricevano l’energia emessa. Serve un numero maggiore, minore o uguale di celle al crescere della distanza? Cosa si può concludere riguardo alla frazione di radiazione ricevuta dalle singole celle al variare della distanza? Questo scenario può convincere gli studenti che l’energia ricevuta dalla singola cella (che ha un’area fissata) si riduce quando la cella stessa è posta a maggiore distanza dalla sorgente.

Materials

Poiché le celle fotovoltaiche potrebbero costare molto, gli insegnanti devono limitare il numero di apparati sperimentali.

Attività 1:

proiettore, lampada potente
Dimmer per regolare la luminosità
metro
celle fotovoltaiche collegate a un motore elettrico o a una ventola (assicurarsi che la potenza generata dalle celle sia adeguata per azionare il motore)

Attività 2:

matite (nere e colorate)
compasso
carta millimetrata
righello
calcolatrice
computer con accesso ad internet (può essere anche solo uno, utilizzato dall’insegnante)

Background Information

La zona abitabile circumstellare

L’ingrediente più importante che conosciamo per la nascita della vita è l’acqua.
Perciò, se gli scienziati vogliono cercare pianeti o altri corpi celesti in cui la vita potrebbe essere presente, in prima istanza hanno bisogno di sapere se in quel luogo l’acqua esiste in forma liquida. Questo è anche uno dei maggiori obiettivi delle esplorazioni spaziali nel Sistema Solare, ad esempio verso Marte.

La presenza di acqua liquida dipende dalle condizioni dell’ambiente, come la temperatura dell’aria e la pressione atmosferica. Il fattore principale che determina la temperatura superficiale di un pianeta è la sua distanza dalla stella centrale attorno a cui orbita. Le temperature sono accettabili solo in una piccola finestra nella quale l’acqua non evapora completamente o non si ghiaccia. Queste condizioni sono modificate da influenze locali come la densità dell’atmosfera e la composizione dei potenziali gas serra.
Questo definisce un range nel quale, data una determinata stella, è possibile che sia presente acqua liquida. Questo range è definito ‘zona abitabile’. Se un pianeta viene trovato in questa zona, potrebbe avere acqua in forma liquida e quindi ospitare forme di vita simili a quella che conosciamo. Nel Sistema Solare, la Terra occupa la zona abitabile. Alcuni modelli ritengono che anche Marte faccia parte di questa zona.

Non esiste nessuna garanzia che un pianeta che orbiti nella zona abitabile necessariamente possieda quantità considerevoli di acqua liquida oppure ospiti qualche tipo di vita, poiché le condizioni su ogni pianeta possono essere notevolmente differenti. Altre condizioni al contorno che potrebbero aiutare lo sviluppo di forme di vita sono le fonti di energia (fonti luminose o chimiche) e il campo magnetico che protegge dalla radiazione di particelle ionizzanti.

Marte ospita o ha ospitato la vita?

Marte è grande la metà della Terra. Il suo colore rosso è causato dalla presenza di ossido di ferro (ruggine), e ha un’atmosfera molto sottile e rarefatta, che è composta principalmente da diossido di carbonio (anidride carbonica). Una delle principali caratteristiche del pianeta è la presenza di molti vulcani estinti, che raggiungono altezze anche superiori ai 22000 metri! Come la Terra, anche su Marte ci sono le stagioni poiché il suo asse è inclinato. In teoria, considerando la zona abitabile del Sistema Solare, Marte potrebbe ospitare la vita.

Ad oggi, non ci sono indicazioni per dire se Marte è abitato o lo è stato in passato. Comunque, ci sono forti evidenze che sulla superficie del pianeta sia esistita acqua in forma liquida per molto tempo.
La spiegazione più comune del suo stato attuale è che Marte ha perso buona parte dell’atmosfera e per questo motivo anche molta dell’acqua presente sulla sua superficie è evaporata nello spazio, rimanendo però presente sotto forma di ghiaccio in depositi che si trovano sotto la superficie. (nota: sarebbe da aggiornare date le ultime scoperte http://www.media.inaf.it/2018/07/25/marte-acqua-lago/)
Marte è abbastanza piccolo, per questo la sua forza gravitazionale è piuttosto bassa; perciò il pianeta fatica a trattenere l’atmosfera. Inoltre, in mancanza del campo magnetico il vento solare riesce facilmente a sottrarre molecole all’atmosfera marziana. Comunque ci sono evidenze che almeno per un periodo di tempo e almeno in alcune regioni l’acqua liquida sia stata presente anche in superficie. L’elevata salinità aiuta a mantenere l’acqua liquida nonostante le temperature siano al di sotto del punto di solidificazione dell’acqua pura. (vedi Articolo 1 allegato all’attività).

Gli scienziati sperano che alcune forme di vita possano essere sopravvissute negli strati di ghiaccio presenti sulla superficie di Marte. Il programma spaziale europeo ExoMars, che verrà lanciato nel 2020, servirà per validare questa ipotesi usando un laboratorio robotico. La strumentazione sarà in grado di scavare la superficie marziana per indagarne l’attività chimica e biologica.

Figura 1: Modello del rover ExoMars che sarà lanciato nel 2020 (ESA/ATG medialab, http://exploration.esa.int/, ESA Copyright Notice Images).

Altri luoghi all’interno del Sistema Solare
Negli ultimi anni, gli scienziati stanno portando avanti l’idea che ci sono altri luoghi nel Sistema Solare che potrebbero essere abitabili nonostante non siano all’interno della zona abitabile. In particolare Europa ed Encelado, lune ghiacciate rispettivamente dei pianeti gassosi Giove e Saturno, sono molto interessanti da questo punto di vista. Le osservazioni fatte durante le missioni spaziali di esplorazione del Sistema Solare, come la sonda Cassini, hanno trovato indirizzi della presenza di oceani di acqua liquida sotto la spessa superficie ghiacciata (vedi Articolo 2 allegato a questa attività). C’è una forte evidenza che ci sono camini idrotermali negli oceani sotto la superficie di Encelado (vedi Articolo 3 allegato a questa attività).
Le stesse sorgenti si ritrovano anche nelle profondità marine della Terra. In corrispondenza di tali punti si trovano colonie di forme di vita che si nutrono dell’idrogeno che fuoriesce da questi camini. (nota: strano che si nutrano di idrogeno.)

Figura 2: Getti di acqua ghiacciata e vapore dalla regione sud-polare della luna di Saturno Encelado. La prima rilevazione di questi getti è arrivata dalla sonda Cassini durante il primo flyby della luna ghiacciata avvenuto il 17 febbraio 2005. (NASA/JPL/Space Science Institute, https://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA11688).

Una formula semplice per la zona abitabile
È possibile calcolare a quale distanza da una determinata stella in cui le condizioni sono confrontabili a quelle della Terra, intesa come modello di pianeta abitabile. La distanza della zona abitabile risulta proporzionale alla luminosità della stella.

Qui, L_* è la luminosità dell stella e L_⊙ è la luminosità del Sole.
La distanza d_HZ può quindi indicare la posizione della zona abitabile.
La sua estensione dipende da quali temperature ci si aspetta di trovare al suo confine interno e al suo confine esterno.
Esistono modelli predittivi di abitabilità più complessi che includono anche le proprietà dei pianeti come la presenza e la composizione dell’atmosfera e la massa. In ogni caso, la zona abitabile è un range di distanze non ben definito all’interno di un sistema planetario, perché dipende da moltissime proprietà che permettono all’acqua di essere presente in forma liquida.

Figura 3: Distanze delle zone abitabili per stelle di varie luminosità. Derpedde (Diskussion) - CC BY-SA 3.0 de, CC BY-SA 3.0 or GFDL, via Wikimedia Commons

Esopianeti
I pianeti che orbitano intorno a stelle diverse dal Sole sono chiamati ‘pianeti extrasolari’, o brevemente ‘esopianeti’.
Il primo esopianeta in orbita attorno a una stella simile al Sole sono stati scoperti nel 1995 da un gruppo di ricercatori svizzero guidato da Michel Mayor e Didier Queloz dell’università di Ginevra. Questo pianeta, chiamato 51 Pegasi b, non assomiglia alla Terra. Esso orbita attorno alla propria stella a una distanza di appena 0,05 UA, cioè il 5% della distanza media tra la Terra e il Sole. Per confronto, il pianeta più vicino al Sole, Mercurio, orbita a una distanza di 0,5 UA, cioè 10 volte più lontano di 51 Pegasi b rispetto alla sua stella. Inoltre, questo pianeta è un gigante gassoso simile a Giove o Saturno. Ad oggi (luglio 2017), conosciamo 3627 esopianeti, dei quali 2718 appartengono a sistemi planetari (vedi http://www.exoplanets.eu).

Figura 4: Le zone abitabili circumstellari di tre stelle con diversa massa, luminosità e temperatura superficiale. (NASA/Kepler Mission/D. Berry, http://aasnova.org/2016/02/24/where-to-look-for-habitability/).

La Figura 4 mostra la zona abitabile circumstellare (in verde) per stelle con temperature e luminosità differenti. La stella centrale corrisponde a stelle simili al Sole. Le stelle più calde solitamente hanno una zona abitabile più estesa, mentre quelle più fredde hanno hanno zone abitabili meno estese. Nell’area blu le temperature sono troppo basse perché l’acqua possa essere allo stato liquido, mentre nell’area rossa le temperature sono troppo alte.

La Figura 5 mostra un esempio di esopianeta in orbita attorno alla stella HD33793, anche conosciuta come la stella di Kapteyn. La stella ha una temperatura superficiale di 3570 K, che è circa metà della temperatura superficiale del Sole, ovvero 5778 K. Quindi, la zona abitabile (in verde) è collocata a una distanza compresa tra 0,11 e 0,22 UA.

A causa della bassa luminosità di questa stella, la zona abitabile è meno estesa rispetto a quella del Sole. Comparando le zone abitabili del Sole e di HD 33793 (Figura 6) si trovano differenze sostanziali. La zona abitabile del Sole risulta più estesa e più distante.

Figura 5: La zona abitabile (in verde) attorno alla stella HD 33793. Viene indicata l’orbita del pianeta extrasolare Kapteyn b. (PHL/UCP Arecibo, Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 Unported License, basata su: Anglada-Escudé et al. 2014, MNRAS, 443, L89).

L’esopianeta Kapteyn b, con una massa di circa 5 volte quella della Terra, è ben collocato all’interno della zona abitabile e quindi risulta interessante per future ricerche sull’abitabilità.

Figura 6: Confronto tra le zone abitabili (in verde) della stella HD 33793 e del Sole. (PHL/UCP Arecibo, Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 Unported License, basata su: Anglada-Escudé et al. 2014, MNRAS, 443, L89).

Full Activity Description

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

Additional Information

Questa attività fa parte di un progetto più ampio chiamato Climate Box, che è stato sviluppato all’interno del progetto EU Space Awareness, promosso dalla Commissione Europea.

Conclusion

Questa attività insegna agli studenti alcune importanti nozioni sulle zone abitabili dei sistemi planetari. Al suo interno comprende un semplice esperimento che dimostra come la quantità di radiazione ricevuta da un corpo dipenda dalla distanza del corpo stesso dalla sorgente. L’esperimento fa uso di una lampada potente e di cellule fotovoltaiche che ricevendo l’energia della lampada azionino un motore non appena la potenza sia sufficiente. Ciò serve per capire quale sia la dimensione della zona abitabile nella quale è possibile trovare acqua liquida sotto certe condizioni al contorno. L’azionamento del motore rappresenta il motore della vita nei sistemi planetari. Inoltre, gli studenti potranno capire la composizione di un vero sistema esoplanetario e della sua zona abitabile nella seconda attività, calcolando e disegnandone un modello in scala.

Keywords

zona abitabile, Sole, Terra, radiazione solare, stelle, pianeti, orbite, vita, radiazione termica, corpo nero, legge di Stefan Boltzmann, esopianeti, pianeti extrasolari, energia solare, pannelli solari, ExoMars

Età

12 - 16

Level

Middle School, Secondary

Durata

Group

Supervised

Cost per student

High Cost

Location

Small Indoor Setting (e.g. classroom)

Core skills

Asking questions, Developing and using models, Planning and carrying out investigations, Analysing and interpreting data, Constructing explanations, Engaging in argument from evidence, Communicating information