domenica 13 marzo 2011

Acqua nell’Universo

Con questo post partecipo molto volentieri al Carnevale della Chimica  


 
H2O è certamente la formula chimica più nota al grande pubblico, talmente familiare e riconoscibile da essere usata spesso, e in tutto il mondo, anche come logo di questo o quel brand. 

Ci è talmente usuale che forse non abbiamo mai ragionato sul fatto che può mostrarci anche la strada per rispondere alla domanda: “da dove viene l’acqua e quanta ce ne è nell’Universo”. Già perché nell’Universo c’è molta acqua. Ne abbiamo trovato i segni un po’ dappertutto dal nostro vicinissimo satellite, la Luna, fino alle più distanti e fredde nubi interstellari della nostra Galassia. 

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Al Polo sud della Luna esistono zone ghiacciate

Come mai c’è tanta acqua nell’Universo e in quale forma la troviamo? La spiegazione, diciamo, tecnica è piuttosto complessa ma la linea logica è al contrario piuttosto semplice. Proviamo a seguirla con un po’ di pazienza.
Partendo proprio da H2O possiamo emulare il signor di Lapalisse e dire che, per avere una molecola d’acqua, occorre innanzitutto disporre di atomi di idrogeno e di ossigeno, ovviamente nelle condizioni opportune perché possano legarsi fra loro. Questi due elementi sono d'altronde ben attivi chimicamente e quindi possiamo sperare che queste condizioni siano abbastanza frequentemente soddisfatte, tenuto anche conto, ad esempio, della enorme varietà di diverse situazioni di pressione e temperatura che possiamo trovare nell’Universo. I due elementi hanno però origine da fenomeni completamente diversi e sono presenti in quantità molto diverse fra loro. L’idrogeno infatti rappresenta fra l’80 ed il 90 % della materia esistente e si sarebbe formato circa 250.000 anni dopo il Big Bang, in un epoca chiamata della 
ricombinazione. 

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E tu come te lo immagini il ig Bang ?

Prima di quel momento le condizioni di pressione e temperatura nell’Universo primordiale non permettevano alle singole particelle elementari di combinarsi fra loro per formare atomi. L’idrogeno, il più semplice degli elementi, che possiamo pensare come composto da un solo protone nel suo nucleo con un elettrone che gli orbita attorno, si sarebbe formato in quel tempo, distante da noi più di 13 miliardi di anni. Allora si sarebbe formato anche l’Elio, l’elemento chimico appena più complesso dell’Idrogeno.
Praticamente tutti gli altri elementi, compresi l’ossigeno ed il carbonio che sono alla base delle molecole organiche tipiche della vita, si sono formate in modo del tutto diverso, in un processo, la nucleosintesi, che avviene all’interno delle stelle e grazie alla fusione nucleare. Per trovare l’ossigeno che ci serve per costruire una molecola di acqua dobbiamo seguire questa pista 


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La catena di nucleosintesi


Una stella si forma a partire da una nube cosmica di gas e polveri, che, nelle prime fasi dell’Universo, è sostanzialmente composta di idrogeno. Quando usiamo la parola “nube” in campo astronomico non dobbiamo farci trarre in inganno dalla nostra esperienza sensoriale quotidiana. Stiamo parlando di densità fra i 1.000 e i 100.000 atomi per centimetro cubo. Per avere un confronto pensiamo che se consideriamo un volume eguale pieno di comune nebbia vi troviamo molti miliardi di miliardi di atomi! Condizione estreme di rarefazione quindi, ma gli spazi sono enormi, parliamo di miliardi di miliardi di chilometri cubi, e quindi la massa complessiva di queste nubi è comunque notevolissima, anche se la densità di materia è talmente piccola da non poter essere neppure ragionevolmente immaginata. In tempi appunto “astronomici”, ovvero centinaia di milioni di anni, la nube si condensa per effetto della gravità, formando una sorta di bozzolo ellissoidico ed al cui centro pressione e temperatura raggiungono valori elevatissimi. 

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Quando la temperatura al centro arriva ai milioni di gradi si innescano le reazioni nucleari, principalmente fra gli atomi di idrogeno, che si fondono fra loro per formare atomi più complessi e pesanti, come Elio per primo e poi altre reazioni che danno luogo alla formazione di Carbonio e, appunto, Ossigeno. Il processo è continuo, imponente e rilascia quell’energia che sostenta la stella e si irraggia nello spazio circostante. Per fare l’esempio del nostro Sole nel suo nucleo ogni secondo 600 tonnellate di idrogeno si trasformano in 596 di Elio. La differenza di massa, 4 milioni di tonnellate, viene convertita in energia tramite la famosa relazione di Einstein E=mc2. Per inciso notiamo che è da qui che nasce la luce ed il calore che ci permette di vivere sulla Terra.
 
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Le varie reazioni D-euterio T-rizio He-lio e le energi rilasciate



E’ quindi grazie ad una serie di trasformazioni nucleari che, a partire dall’Idrogeno, si formano gli atomi di Ossigeno. Per dare un’idea delle proporzioni nel Sole misuriamo 7 atomi di ossigeno ogni 10.000 di idrogeno. Dopo la formazione della prima generazione di stelle abbiamo quindi a disposizione gli atomi di Idrogeno ed Ossigeno necessari per formare le molecole di H2O. C’è però un problema: questi atomi sono all’interno delle stelle a temperature e pressioni anche elevatissime. Il meccanismo che fa “evadere” l’idrogeno e l’ossigeno, così come tutti gli altri elementi chimici formatisi nella fusione nucleare con il processo di nucleosintesi, è, principalmente, quello della Supernova. Nella sua evoluzione la stella, se ha una massa iniziale sufficientemente elevata, arriva ad un punto in cui le reazioni di fusione nucleare per continuare necessitano di talmente tanta energia che l’equilibrio che l’ha governata per miliardi di anni improvvisamente si rompe. A quel punto la stella praticamente si autodistrugge in pochi secondi, espellendo a velocità supersoniche tutto il materiale gassoso che la compone, che si espande nello spazio circostante, diminuendo velocemente di densità man mano che si espande. 

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Quel che resta della Supernova del Granchio, vista apparire nei cieli circa 1000 anni fa

A questo punto siamo nelle condizioni ideali per avere l’acqua, abbiamo di nuovo una nube di gas e polveri da cui si formeranno nuove generazioni di stelle. Ma questa volta abbiamo sia idrogeno che ossigeno, oltre a tanti altri elementi chimici fra cui il carbonio, anch’esso fondamentale per la vita.. Da queste nubi, con lo stesso meccanismo descritto sopra, si formeranno nuovamente i bozzoli da cui verranno altre stelle con i loro sistemi planetari, simili o diversi dal nostro. Ma questa volta nei bozzoli sarà già presente l’acqua, formatasi dalla combinazione di idrogeno ed ossigeno.
Quanto abbiamo detto è fortemente schematico ma ci aiuta a capire come mai troviamo la firma di molecole di H2O anche nelle più lontane nubi interstellari. Ma per rimanere nelle vicinanze del nostro pianeta, sempre parlando da un punto di vista astronomico, nel nostro Sistema solare troviamo le tracce dell’esistenza, presente o passata, dell’acqua un po’ dappertutto. Dalla Luna a Marte,

Un cratere su Marte con un ghiacciaio evidente al suo interno
dai nuclei cometari ai satelliti di tanti pianeti. Certo è in condizioni molto diverse a seconda che consideriamo le zone vicine al Sole o ce ne allontaniamo. Il bozzolo primordiale, da cui si è formato l’intero Sistema solare aveva dimensioni di centinaia di migliaia di volte la distanza Terra Sole, che è di soli 150 milioni di chilometri. A quelle distanze, ma anche a quella di Plutone, distante dal Sole “solo” 40 volte più del nostro Pianeta, la radiazione solare arriva debolissima e le temperature sono dell’ordine dello zero assoluto, ben oltre i 200 gradi sotto lo zero centigrado.

L’acqua quindi nel nostro Sistema solare è presente soprattutto nella forma di ghiaccio, mista ad altri ghiacci di altri elementi o molecole. Con le imprese spaziali degli ultimi 10 anni abbiamo addirittura potuto fotografare nuclei di comete, che sono apparse come gigantesche “palle di neve” sporche, asimmetriche e delle dimensioni di una diecina di chilometri, un misto di ghiacci e polveri. Ma anche alcuni dei satelliti dei pianeti più esterni, ad esempio Saturno, hanno mostrato agli obiettivi delle sonde spaziali, prima fra tutte la europea Cassini che resterà attorno al Pianeta con gli anelli ancora diversi anni, un mondo dalla superficie solcata di canali e ricoperta di ghiacci.

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Saturno ed i suoi anelli

E nelle vicinanze del Sole che fine ha fatto l’acqua? Di sicuro allo stato liquido la troviamo solo sulla Terra. C’è incertezza sul fatto che possano esistere “giacimenti” di ghiaccio sulla Luna, nei crateri polari che non ricevono praticamente radiazione dal Sole. Su Marte l’evidenza di un’epoca in cui l’acqua fluiva sul pianeta rosso è oramai abbastanza condivisa, mentre vaste zone di ghiacci sono note oramai dagli anni ’70 del secolo scorso. Forse Marte racchiude ghiaccio anche al di sotto della sua superficie e gli ultimi rilevamenti delle sonde hanno intravisto del vapore acqueo nella sua atmosfera.
Se quindi, a differenza forse di quanto scrivono spesso i media, l’acqua è presente e abbondante, in ragione proprio della sua origine, nell’intero Universo, dal nostro piccolo e quasi insignificante Sistema Solare alle più lontane nubi interstellari della Galassia, è anche vero che la nostra Terra resta, finora, un unicum. L’acqua allo stato liquido , e quindi così abbondante e facilmente fruibile, necessita per esistere di un equilibrio delicatissimo: un pianeta solido, di massa relativamente piccola, con una atmosfera particolare, posto ad una distanza dalle sorgenti di energia tale da permettergli di non diventare in poco tempo né un mondo arroventato come Mercurio o Venere né ghiacciato come Plutone. 

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Acqua nell’Universo quindi, un po’ dappertutto, ma quella utile alla nostra vita è, per ora, tutta e sola quella che abbiamo sulla Terra. Meglio pensarci sopra e usarle del riguardo.

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