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La Terra ruota sul suo asse, donandoci il giorno e la notte – ma cosa succede ad altri oggetti celesti come il Sole? In questa attività gli studenti utilizzeranno immagini reali del Sole catturate da un telescopio spaziale, il Solar Dynamics Observatory (SDO Osservatorio di Dinamica Solare), per scoprire che anche il Sole ruota intorno al suo asse! Per farlo, utilizzeranno una tecnica usata per la prima volta da Galileo Galilei, e tuttora utilizzata dagli astronomi: seguire il movimento delle macchie solari. Osservando i disegni originali di Galileo, gli studenti faranno delle ipotesi sulla natura e il movimento delle macchie solari. Per testare le loro ipotesi e fornire le prove della rotazione del Sole, utilizzeranno una serie di 27 immagini consecutive catturate quotidianamente da SDO tra il 25 novembre e il 20 dicembre 2014, che contengono un grande numero di macchie solari. Gli studenti faranno stime approssimative del periodo di rotazione del Sole (senza calcoli) seguendo il moto di queste macchie solari. Infine, discuteranno e confronteranno i loro risultati.
Questa attività fa parte del Manuale di attività GalileoMobile Handbook of activities che è stato testato durante le spedizioni in India ed Uganda degli autori.
Idealmente, gli studenti svolgeranno l’attività a coppie. Quindi, per ogni coppia, preparate una serie di:
Stampare le immagini del Sole su una sola facciata (due immagini per pagina), cosicché gli studenti possano facilmente spargerle sul tavolo.
Questa attività può essere svolta a computer, usando le immagini del Sole del sito Solar Monitor website, oppure aprendo le immagini in formato PNG.
Se volete mostrare un’animazione della rotazione del Sole, basata sull’insieme dei dati che state utilizzando, avrete bisogno di (vedere il paragrafo Conclusione nella Descrizione dell’attività):
Quanto al set di dati SDO scelti per questa attività:
La serie di immagini da noi fornite è stata scaricata direttamente dal sito Solar Monitor website. Questo set di dati è stato selezionato in prossimità del periodo di massima attività solare del 2013 e scelto con cura per mostrare un gran numero di macchie solari, consentendo agli studenti di guardare differenti macchie solari per analizzarle e confrontare i risultati.
Sentitevi liberi di scegliere qualsiasi altra serie di immagini da questo sito web, purché ne selezionate a sufficienza in giorni consecutivi per coprire almeno una rotazione solare.
É possibile seguire il movimento delle macchie solari durante un certo numero di giorni consecutivi utilizzando un metodo definito “proiezione”, cioè proiettando l’immagine del Sole usando un telescopio solare, oppure un telescopio con uno schermo (vedi la pagina di AAS sulla sicurezza degli occhi). Questo metodo offre il vantaggio che gli studenti “sperimentano” la scala temporale della rotazione solare. Tuttavia, la presenza delle macchie solari dipende dal periodo del ciclo solare, quindi al momento dell’attività le macchie potrebbero non essere affatto presenti o essere troppo poche per fornire fornire dati sufficienti agli studenti per testare le loro ipotesi.
Questa attività offre agli studenti l’opportunità di scoprire che anche una stella come il Sole ruota, invitandoli ad immaginare un Universo in cui sono diffusi movimento e rotazione. Lo faranno attraverso:
Contenuti
Abilità
Attitudini
Per svolgere l’attività, l’insegnante dovrebbe conoscere il dilemma di Galileo riguardo alla natura delle macchie solari, nonché la successiva scoperta della natura magnetica delle macchie solari, e della rotazione differenziale (non-rigida) del Sole.
Forniamo quindi di seguito una breve panoramica per quanto riguarda la struttura del Sole, le storiche osservazioni di Galileo, la natura delle macchie solari, la rotazione non-rigida del Sole ed un’introduzione alla missione del satellite che ha prodotto i dati utilizzati in questa attività. Alla fine di ogni sotto-sezione, abbiamo indicato i link ai quali i docenti possono approfondire questi temi.
Il Sole è una gigantesca sfera gassosa composta soprattutto di idrogeno ed elio. A causa delle temperature estremamente alte del Sole, gli elettroni possono distaccarsi dai nuclei dei loro atomi e sono liberi di muoversi. Questo stato della materia viene definito “plasma”. Poiché la materia del Sole è elettricamente carica, essa può interagire con i campi magnetici.
Possiamo dividere il Sole in 5 strati: il nucleo, la zona radiativa, la zona convettiva, la fotosfera, e l’atmosfera. Il nucleo è lo strato centrale, il posto in cui l’energia è prodotta dalla fusione nucleare (~ 15 milioni °C). La zona radiativa si estende dal nucleo fino all’incirca al 70% del raggio solare: qui l’energia viene trasportata soprattutto attraverso la radiazione (i fotoni vengono emessi, assorbiti e riemessi di continuo). Nello strato successivo, la zona convettiva, l’energia è trasportata dalla convezione (movimento verso l’alto di materia calda e verso il basso di materia fredda, simile all’ebollizione di una minestra). La fotosfera, a ~ 6000 °C, è esattamente al di sopra della zona convettiva. Poiché si tratta dello strato da cui proviene la maggior parte della luce, la definiamo superficie solare, anche se non potremmo mai calpestarla.
Aldilà della fotosfera troviamo l’atmosfera solare, che è composta di altri due strati: la cromosfera e la corona. La cromosfera è un sottile strato gassoso rossastro, immediatamente al di sopra della superficie. La corona è la fine atmosfera di plasma del Sole, che si estende per milioni di chilometri nello spazio.
Visitate il sito web NASA Solar Science website per ulteriori informazioni.
Nel 1612 Galileo Galilei puntò un telescopio al Sole. Fu uno dei primi a farlo, preceduto da Thomas Harriott e Johannes Fabricius. Galileo sapeva che se avesse guardato a occhio nudo nell’oculare del telescopio, si sarebbe potuto bruciare gli occhi. Allora, proiettò l’immagine su uno schermo per fare dei disegni dettagliati. Ai tempi di Galileo, la gente credeva che il Sole fosse un oggetto fisso, perfettamente immacolato. Con sua grande sorpresa, egli vide macchie scure sulla superficie del Sole. Fu molto incuriosito dalla natura di queste macchie, e quindi le osservò e le disegnò ogni giorno per studiarle.
Visitate il sito web Rice University Galileo website per ulteriori informazioni.
La natura delle macchie solari rimase un enigma fino al 1905, quando l’astronomo George Ellery Hale individuò intensi campi magnetici all’interno di queste regioni scure. Utilizzando uno spettroeliografo, egli scoprì che una certa proprietà della luce (la polarizzazione) emessa dal Sole era alterata in un modo che è specificamente causato dai campi magnetici. Al giorno d’oggi, i satelliti, come il Solar Dynamics Observatory (SDO) sono dotati di strumenti particolari per individuare la posizione dei campi magnetici sulla superficie del Sole e la loro intensità. La figura 1 mostra due immagini dello stesso giorno, ottenute da SDO: un’immagine in luce visibile dell’intero disco solare e una mappa dell’orientamento ed intensità dei campi magnetici presenti sul disco solare (magnetogramma).
Le macchie solari sono visibili nella fotosfera come punti scuri in contrasto con il resto della superficie solare, perché la materia al loro interno è di circa 2000 ° gradi C più fredda rispetto ai dintorni che sono a circa ~ 6000 ° gradi C. Gli intensi campi magnetici sono responsabili di questo raffreddamento. Dato che i campi magnetici producono pressione, il plasma all’interno delle macchie solari viene espulso per mantenere un equilibrio nella pressione tra la macchia solare (pressione del gas più pressione magnetica) e il plasma che la circonda (pressione del gas). Quindi il plasma all’interno della macchia solare è meno denso e un po’ più freddo (se confrontiamo l’interno e l’esterno di una macchia solare alla stessa profondità geometrica).
Di solito, le macchie solari si raggruppano e durano da alcuni giorni a qualche settimana. Le macchie solari sono dinamiche ed evolvono insieme al campo magnetico: appaiono, cambiano, e spariscono. Il loro numero varia periodicamente con il tempo, insieme alla quantità di campo magnetico del Sole, seguendo il cosiddetto ciclo degli 11 anni: ogni 11 anni, il campo magnetico e il numero di macchie solari raggiungono il massimo (chiamato “massimo solare”), seguito da un minimo con quasi nessuna macchia sul Sole. La serie di dati proposta in questa attività viene scelta in prossimità del massimo solare, così da mostrare un gran numero di macchie solari.
Le macchie solari si trovano in zone, come le tempeste sulla Terra, e di solito sono disposte in fasce, nell’emisfero settentrionale e meridionale. Le fasce in cui si formano le macchie solari si muovono da latitudini medie fino quasi all’equatore, nel corso del ciclo di 11 -anni. C’è da notare che le singole macchie solari non si spostano troppo in termini di latitudine, dato che esistono solo per poche settimane, mentre si può osservare più facilmente lo spostamento verso l’equatore di un gruppo di macchie, dove se anche una singola macchia scompare se ne formano altre.
Immagine: magnetogramma solare
Visitate il Solar Center website per ulteriori informazioni sui magnetogrammi solari.
Visitate il Solar Dynamics Observatory website per ulteriori informazioni sulle immagini in luce visibile del Sole.
Come la Terra, il Sole ha un polo nord e un polo sud, e ruota attorno al suo asse. Visto dalla Terra, il Sole ruota attorno al suo asse all’incirca ogni 27 giorni. L’equatore del Sole è quasi sullo stesso piano dell’orbita terrestre, e il polo nord del Sole è nella stessa direzione del polo nord terrestre. Visto al di sopra del polo nord solare, il Sole ruota in senso antiorario. La maggior parte delle immagini moderne del Sole sono orientate in modo che il nord solare sia in alto e quindi le caratteristiche della superficie del Sole sembrano muoversi da sinistra a destra mentre il Sole ruota. C’è da notare che i disegni di Galileo delle macchie solari non sono orientati in questo senso.
Gli oggetti rigidi non cambiano forma (cioè non sono deformabili). Quindi, quando gli oggetti rigidi ruotano, ogni parte ruota allo stesso ritmo. Ciò vuol dire che a ogni parte dell’oggetto occorre la stessa quantità di tempo per completare un giro. Questa viene chiamata rotazione rigida. Per questo motivo, ogni macchia sulla Terra impiega 24 ore a completare un giro.
In oggetti non-rigidi, ad esempio oggetti deformabili, la rotazione è differente in parti differenti dell’oggetto. E’ questo il caso del Sole, dato che è composto di un materiale gassoso denominato plasma. Come la Terra, il Sole ha un polo nord e un polo sud, e ruota attorno al suo asse. Tuttavia, il plasma solare vicino all’equatore completa il giro in poco meno di 27 giorni, mentre il plasma vicino ai poli può completare un giro completo in 35 giorni. Ciò significa che il plasma può ruotare a differenti velocità, a seconda della latitudine a cui si trova: quindi più veloce all’equatore che ai poli. Questa viene denominata rotazione differenziale.
Se misurate la rotazione terrestre valutando i venti o il movimento delle nuvole, scoprirete che anche la rotazione dell’atmosfera terrestre varia con la latitudine. Questo succede perché l’atmosfera terrestre è un gas, non un solido. Vista dallo spazio, l’atmosfera ruota in meno di 24 ore a latitudini medie e in più di 24 ore vicino all’equatore. Li definiamo rispettivamente “venti occidentali” e “venti dominanti”. La rotazione differenziale non è un aspetto tipico solo del Sole; avere differenti velocità di rotazione a differenti latitudini è comune ad oggetti rotanti, come le altre stelle e i pianeti gassosi.
Visitate il sito Swinburn University Cosmos website per ulteriori informazioni.
L’Osservatorio di Dinamica Solare (Solar Dynamics Observatory - SDO) è una missione satellitare della NASA. É stato lanciato in orbita intorno alla Terra nel 2010 ed ha osservato il Sole da allora. L’obiettivo principale dello SDO consiste nello studio dell’atmosfera solare per comprendere meglio il rapporto tra i campi magnetici solari e I fenomeni energetici a breve termine, come le eruzioni solari e le espulsioni di massa coronale.
Visitate il sito Solar Dynamics Observatory website per ulteriori informazioni.
Per altre informazioni sul ciclo solare, visitate il sito NASA Solar Science website e YouTube video
Chiedete agli studenti :
Pensate che il Sole stia ruotando sul suo asse, come la Terra, oppure è tranquillamente a riposo?
Raccontate la storia della prima osservazione del Sole di Galileo.
Galileo Galilei fu uno dei primi astronomi a puntare un telescopio verso il Sole, nel 1612 (preceduto da Thomas Harriott e Johannes Fabricius). All’epoca di Galileo, la gente credeva che il Sole fosse un oggetto immobile, perfettamente immacolato! Con sua grande sorpresa, egli osservò delle macchie sulla superficie del Sole, e fece i disegni mostrati nella Figura 2. Era molto confuso dalla natura di queste macchie …
Formulazione di Ipotesi
Un’ipotesi è una spiegazione ipotizzata di un fenomeno. Nel nostro caso, il fenomeno è costituito dalle macchie solari e dal loro apparente movimento attraverso la superficie solare.
Chiedete agli studenti di fare alcune ipotesi sulle macchie solari e sulle cause del loro moto apparente. Guidateli alle seguenti ipotesi:
Le macchie solari sono:
Aiutate gli studenti a capire che H1 e H2 non significano che il Sole stia ruotando, dato che pianeti o nuvole potrebbero muoversi in modo indipendente.
Notate riguardo ad H3: Gli studenti potrebbero pensare che lo spostamento delle macchie sia dovuto alla rotazione della Terra (attorno al suo asse), dalla quale osserviamo il Sole. Possiamo escludere questo effetto facendo il seguente esperimento. Fate ruotare gli studenti lentamente attorno a sé stessi mentre si concentrano su un oggetto fisso distante, come la lavagna o il vostro naso. Mentre girano, si accorgeranno che l’oggetto non cambierà posizione rispetto a tutto ciò che c’è intorno; proprio come la rotazione terrestre non è la causa del movimento delle macchie sulla superficie del Sole.
Anche se la rivoluzione terrestre ha un effetto (vedi la discussione nella Parte 3), il suo periodo è troppo lento (365 giorni) per spiegare il moto molto più veloce delle macchie (vedi i disegni di Galileo, nel corso di soli 3 giorni!).
Testare le Ipotesi basate sulle Osservazioni
Per testare le loro ipotesi, gli studenti dovranno esaminare il Sole in dettaglio per più giorni. Utilizzeremo una serie di immagini del Sole scattate a dicembre 2014 da un satellite della NASA chiamato Solar Dynamics Observatory (SDO).
Potete fornire loro qualche indizio ponendo domande del tipo:
Chiedete agli studenti di condividere le loro osservazioni e argomentazioni insieme ed elencarle alla lavagna. Guidateli alla seguente conclusione:
Abbiamo sottolineato i termini “più verosimile”, poiché gli studenti dovrebbero rendersi conto che nella scienza, non possiamo provare un’ipotesi, esserne sicuri al 100% . Tutto quel che possiamo fare è raccogliere più prove…
Potete chiedere agli studenti:
Per raccogliere più prove, vorremmo “veder ruotare il Sole”, che è difficile in immagini ferme. Ma cosa potremmo fare per animare tutte le immagini elettroniche?
Di fronte agli studenti, potete velocemente compilare tutte le immagini SDO in un film. Ciò consente agli studenti di vedere e “sperimentare” la rotazione del Sole. Utilizzate il software gratuito SalsaJ e seguite le fasi elencate qui (vedi Come creare un’animazione con diverse immagini )
Notate che, anche con i video, non possiamo escludere l’ipotesi H2. In effetti le macchie solari potrebbero essere nuvole che si muovono a causa di correnti atmosferiche parallele all’equatore come per Giove, ad esempio. Senza informazioni sul campo magnetico o sulla temperature superficiale, è impossibile conoscere con più precisione la natura delle macchie solari (che è magnetica, come mostrato nella Figura 1) e quindi discriminare tra quelle ipotesi.
Stimare il periodo di rotazione del Sole
Questa parte dell’attività è finalizzata a stimolare la creatività degli studenti e portarli ad una comprensione intuitiva del processo di misurazione del periodo di rotazione. Per un calcolo più preciso del periodo di rotazione con l’utilizzo della cinematica, visitate l’attività parallela (potete far riferimento all’attività Misurare il periodo di rotazione del Sole )
Ora che gli studenti sono convinti che il Sole ruota, dite loro che il prossimo passo consiste nel determinare quanto tempo impiega il Sole a compiere una rotazione completa. Questo intervallo di tempo viene definito periodo di rotazione, una proprietà intrinseca di tutti gli oggetti ruotanti.
Perlopiù, gli studenti seguiranno una macchia che si muove attraverso quasi tutto il disco visibile (o metà). Dato che questo movimento corrisponde solo a metà dell’intera orbita attorno al Sole, devono moltiplicare il numero di giorni impiegati per 2 per ottenere il numero di giorni necessari per un’orbita completa (rispettivamente per 4 se hanno seguito il moto di una macchia attraverso metà del disco visibile, che equivale a un quarto di giro). I loro risultati potrebbero variare tra i 24 e i 32 giorni.
Date il via ad una discussione di classe sui motivi della discrepanza tra i risultati.
Questa discussione dovrebbe rendere gli studenti consapevoli che il loro metodo fornisce solo una stima approssimativa. Potrebbero, ad esempio, dimenticarsi di prendere in considerazione il tempo impiegato dalla macchia dall’estrema sinistra (dove la macchia è invisibile) fino alla prima posizione visibile (oppure dall’ultima posizione visibile fino all’estrema destra), e questo “tempo mancante” è difficile da valutare.
Infine, spiegate agli studenti la natura gassosa (cioè non-rigida) del Sole e la possibilità che tutte le macchie possano ruotare esattamente alla stessa velocità.
Conclusioni
Chiedete agli studenti di riflettere sulla loro scoperta e di condividere le loro domande in classe:
Per mostrare che i corpi celesti che ruotano sono comuni, potete anche far vedere alcuni video da YouTube sulla rotazione dei pianeti all’interno del Sistema Solare (vedi i video sulla Rotazione di Marte, o Rotazione di Giove).
Guidateli ad una prospettiva di un Cosmo inquieto, in cui il movimento è naturale ed onnipresente.
(Questo continuo movimento rotatorio nel Cosmo in effetti costituisce una ulteriore prova per l’ipotesi del Sole che ruota, H3)
Oltre alle discussioni di classe in presenza, proponiamo, ad es., le seguenti alternative per valutare quanto gli studenti abbiano capito la metodologia scientifica alla base di questa attività basata sulla ricerca.
Ogni gruppo potrebbe fare:
La prima opzione offre il vantaggio di poter essere organizzata in classe e favorisce una maggiore interazione all’interno dei gruppi di studenti.
Per testare se l’attitudine degli studenti cambia da prima a dopo l’attività, proponiamo di far loro disegnare il Sole prima e dopo l’attività, e scrivere una frase del genere sui loro disegni: “Cosa penso del Sole/ Come vedo il Sole”.
Quest’ attività si adatta al curriculum di scienze, in quanto illustrate la natura inquisitiva della scienza. Favorendo la prospettiva di un Cosmo in naturale movimento, quest’attività è anche un’introduzione ideale ai primi capitoli di un corso di Fisica, quando si spiega il Moto.
Basandosi sull’idea che il moto sia naturale, opposto all’inerzia, gli studenti sono preparati meglio a comprendere le leggi di Newton.
Ulteriori link per maggiori informazioni sul Sole sono incluse nella sezione “Informazioni Generali”.
Excellent free PDF and online book about Astronomy: Open Stax Astronomy, featuring a chapter about the Sun, the solar cycle and magnetism.
