Ogni anno, il pianeta Terra completa una rivoluzione attorno al Sole mentre gira sul suo asse. Di anno in anno, i nostri cambiamenti orbitali sono così minuscoli da essere praticamente impercettibili, poiché la durata di una singola rivoluzione (1 anno) è minima rispetto a quanto tempo il pianeta ha ruotato attorno al Sole (~ 4,5 miliardi di anni).
Eppure, la nostra conoscenza dell’Universo è abbastanza vasta ed i nostri strumenti sono oggi abbastanza sensibili da rilevare che l’orbita terrestre cambia leggermente nel tempo, e possiamo quantificare e affermare con sicurezza esattamente quali saranno questi cambiamenti.
Cosa significa questo per la velocità della Terra attorno al Sole?
Ogni anno, la Terra si allontana leggermente dal Sole e impiega anche un po’ più di tempo per completare una rivoluzione.
Quando pensiamo alla Terra in orbita attorno al Sole, in genere facciamo alcune ipotesi semplificative. Pensiamo alla Terra che ruota sul suo asse e si muove attraverso lo spazio, con la gravitazione del Sole che è l’unica forza che agisce su di essa. Consideriamo il Sole e la Terra ciascuno con la propria massa fissa e costante; pensiamo allo spazio in cui si muove la Terra come vuoto; pensiamo che il Sole rimanga nello stesso posto mentre la Terra orbita attorno ad un’ellisse; trascuriamo, però, gli effetti della Luna, degli altri pianeti e gli effetti esclusivi della Relatività Generale e altre cose.
In realtà, non solo sappiamo che tutte le nostre ipotesi esemplificative sono false, ma possiamo, se vogliamo essere abbastanza precisi, quantificare questi effetti e determinare quali sono importanti, quanto sono importanti e quali cambiamenti provocano sull’approssimazione più semplicistica.
Se tutto ciò che avessimo fossero la Terra e il Sole e li trattassimo come due masse puntiformi immutabili, la Terra creerebbe semplicemente un’ellisse chiusa e immutabile nella sua orbita: esattamente ciò che Keplero aveva previsto. Ma se vogliamo essere più precisi, dobbiamo scendere nel dettaglio delle forze che agiscono sul nostro pianeta mentre viaggia nello spazio.
Il primo effetto che dobbiamo considerare è il fatto che il Sole splende. In questo universo, non esiste energia libera e questo vale anche per qualcosa come il Sole, che emette un enorme 4 × 10 26 W di potenza continua. Da dove viene l’energia per questo? Dalla fusione nucleare dei nuclei di idrogeno (a cominciare dai protoni) in elio-4 (con due protoni e due neutroni), che avviene in una reazione a catena che rilascia energia.
Ogni volta che quattro protoni si fondono insieme, culminando nella produzione di un nucleo di elio-4, viene rilasciato un totale di 28 MeV (dove un MeV è un milione di elettronvolt) di energia. Se lo convertiamo in massa, cosa che l’equazione più famosa di Einstein, E = mc 2 , ci permette di fare, apprendiamo che il Sole perde un totale di circa 4 milioni di tonnellate di massa a causa della fusione nucleare ogni secondo che passa.
Nel corso della vita del nostro Sistema Solare, la massa del Sole è diminuita di circa 95 masse terrestri a causa della fusione nucleare, o approssimativamente della massa di Saturno.
Oltre a perdere massa a causa delle reazioni nucleari che si svolgono nel suo nucleo, la nostra stella madre emette anche particelle: il vento solare. Le particelle all’estremità del Sole sono tenute molto liberamente ai margini della fotosfera. Particelle come elettroni, protoni e anche nuclei più pesanti possono guadagnare abbastanza energia cinetica da essere espulse completamente dal Sole, creando un flusso di particelle che chiamiamo vento solare. Inoltre, si verificano periodicamente e irregolarmente eruzioni solari, espulsioni di massa coronale e altri eventi intensi, che contribuiscono ulteriormente alla perdita di massa del Sole.
Tutta questa massa espulsa continuamente dal Sole si disperde in tutto il Sistema Solare e la stragrande maggioranza finisce nel mezzo interstellare, sottraendo al nostro sistema solare attualmente circa 1,6 milioni di tonnellate di massa al secondo. Nel corso della vita del Sole, ciò si traduce nella perdita di circa 30 masse terrestri a causa del vento solare. Quando combiniamo la perdita di vento solare con la perdita di massa da fusione nucleare, scopriamo che il Sole di oggi è circa ~ 10 ^ 27 kg più leggero rispetto a circa 4,5 miliardi di anni fa, subito dopo la nascita del nostro Sistema Solare.
Naturalmente, l’esistenza del vento solare non influisce solo sulla massa del Sole e sulla forza gravitazionale che lega la Terra al nostro Sole, ma una frazione di quelle particelle si scontrano anche sul nostro pianeta, causando una varietà di effetti. Queste particelle cariche vengono incanalate dal campo magnetico terrestre sui nostri poli, dove producono aurore quando colpiscono l’atmosfera. Alcune delle particelle che entrano in collisione con il nostro pianeta possono lanciare particelle atmosferiche nello spazio, facendole fuggire completamente dalla Terra.
E, rilevante per il problema del cambiamento dell’orbita terrestre, possiamo anche avere queste particelle del vento solare in collisione inelasticamente con il pianeta Terra, influenzando sia il movimento, la massa che il momento lineare e angolare del nostro pianeta. Un totale di circa 18.000 tonnellate di materiale colpisce il nostro pianeta ogni anno, impiegando circa 3 giorni per viaggiare dal Sole alla Terra. Proprio come i primi due effetti – la perdita di massa del Sole dovuta alla fusione nucleare e l’emissione di particelle – anche questo cambia l’orbita terrestre, molto leggermente, nel tempo.
Questi tre effetti sono gli unici che contano in questo momento, quindi possiamo calcolare cosa sta succedendo all’orbita terrestre a lungo termine come risultato di essi.
L’effetto del vento solare che colpisce la Terra ci spinge leggermente verso l’esterno, ma l’enorme massa della Terra rispetto alla piccola quantità di vento solare che ci colpisce assicura che questo effetto sia davvero molto piccolo. Nel corso di ogni milione di anni, spinge l’orbita terrestre verso l’esterno di circa la larghezza di un protone: 1 Å, circa mezzo micron da quando è nato il nostro Sistema Solare.
Le due cause della perdita di massa del Sole, tuttavia, le ~ 30 masse terrestri dovute alla produzione del vento solare e le ~ 95 masse terrestri dovute alle radiazioni – sono più significative. Ogni anno che passa, questa perdita di massa significa che la Terra si sposta a spirale verso l’esterno ad una velocità di circa 1,5 cm. Nel corso della storia del nostro Sistema Solare, tenendo conto di come è cambiato il nostro Sole, siamo circa 50.000 km più lontano dal Sole rispetto a 4,5 miliardi di anni fa.
Se vogliamo, possiamo usare queste informazioni anche per calcolare quanto è cambiata la nostra velocità orbitale.
La Terra, in media, gira intorno al Sole ad una velocità di circa 29,78 km / s, o circa lo 0,01% della velocità della luce. Questa velocità, in realtà, varia leggermente, poiché la Terra compie un’orbita ellittica attorno al Sole: si muove più velocemente al perielio (più vicino al Sole) e più lentamente all’afelio (più lontano dal Sole). La differenza è piccola, ma calcolabile. Nel punto più veloce, ci muoviamo attraverso lo spazio a 30,29 km / s, mentre nel punto più lento, ci muoviamo a 29,29 km / s.
Sebbene non abbiamo ancora la precisione per misurare come è cambiata la nostra velocità nello spazio, la nostra comprensione della fisica in gioco – la dinamica orbitale, il comportamento del momento angolare e come funziona la gravitazione – ci consente di calcolare come il nostro sistema solare in evoluzione ha influenzato (e continua a influenzare) la nostra velocità.
Ogni anno che passa, la Terra rallenta di circa 3 nanometri al secondo rispetto alla velocità con cui si muoveva l’anno precedente. Nel corso dei 4,5 miliardi di anni di storia del Sistema Solare, estrapolando dai nostri calcoli precedenti, il nostro pianeta ha subito un rallentamento di circa 10 metri al secondo.
Questo è il modo in cui l’orbita terrestre sta cambiando oggi ma, intendiamoci, e come è cambiata nel tempo finora. Questa stessa analisi si applica molto al nostro passato recente così come al nostro futuro a breve termine. Ma guardando a scale temporali sempre più lunghe e al lontano futuro del nostro Sistema Solare, possiamo identificare tre effetti futuri che potrebbero cambiare la nostra orbita in modo drammatico quando finalmente diventeranno importanti.
Nel corso del tempo, gli effetti gravitazionali dei pianeti che si strattonano l’un l’altro potenzialmente faranno diventare caotiche le nostre orbite. Sebbene, ad esempio, i pianeti interni siano tutti al sicuro per il prossimo miliardo di anni, c’è circa l’1% di possibilità che uno dei quattro – Mercurio, Venere, Terra o Marte – diventi instabile nella sua orbita.
Se ciò accadrà, l’orbita della Terra potrebbe cambiare in modo significativo, forse anche scagliando il nostro pianeta nel Sole o espellendolo completamente dal Sistema Solare. Questa è la componente più imprevedibile della nostra orbita planetaria.
Inoltre, il Sole si evolverà rapidamente verso la fine della sua vita, espellendo grandi quantità di massa e gonfiandosi in una gigante rossa. In questa fase, l’orbita terrestre si svilupperà a spirale verso l’esterno in modo significativo, aumentando di circa il 10-15% mentre la nostra velocità orbitale diminuirà di circa la stessa percentuale. Nel frattempo, il Sole si espanderà e si prevede che inghiottirà Mercurio e Venere, e diventerà più grande dell’attuale orbita terrestre, ma non di molto. Il destino finale della Terra rimane indeterminato.
Potrebbero anche verificarsi incontri causali che non possiamo prevedere molto lontano nel futuro: il passaggio di stelle canaglia, nane brune e altre masse che potrebbero attraversare il nostro Sistema Solare. Ognuno di questi possibili eventi ha il potenziale per espellere la Terra o perturbare la nostra orbita, ma questi cambiamenti sono imprevedibili.
Infine, ci sono le onde gravitazionali. Se tutto il resto fallisce, la Terra irradierà la sua energia orbitale sotto forma di radiazione gravitazionale, causando il decadimento della sua orbita a spirale in tutto ciò che sarà rimasto del Sole dopo altri ~ 10 ^ 26 anni. Questo non è rilevante per i tempi odierni, ma abbastanza lontano nel futuro.
Tutto questo potrebbe sembrare controintuitivo, ma ha più senso pensando alla Terra in orbita attorno al Sole nello stesso modo in cui gira una palla fissata ad una corda mentre gira. Se la corda è corta e la forza che vi si esercita è grande, la palla girerà molto velocemente. Se la corda è lunga e la forza è piccola, la palla girerà più lentamente.
Man mano che si allunga la proverbiale stringa che rappresenta la distanza Terra-Sole, la forza gravitazionale diventa un po’ più debole, e quindi la Terra non ha altra scelta che muoversi più lentamente. L’effetto può essere piccolo su base annuale, ma l’Universo ha una pazienza infinita.
