La Zona Circumstellare Abitabile del Sole

Credit: Il Poliedrico

Si fa presto a parlare di Zona di Abitabilità, Goldilocks o Riccioli d’Oro intorno ad una stella.
Anche se sarebbe più corretto parlare di Zona Circumstellare Abitabile (CHZ), con queste parole si indica una fascia, sarebbe meglio parlare di guscio, una zona più o meno estesa che si estende intorno alla stella, né troppo vicina e né troppo lontana da garantire un flusso di energia costante da mantenere per eoni l’acqua allo stato liquido.

Ho detto eoni appunto perché il flusso energetico deve essere abbastanza costante nel tempo per dare modo alla Vita di crescere e svilupparsi sul pianeta che ha la fortuna di orbitare in quella zona.
Ma come si fa a calcolare quanto è capiente e quanto è distante una Goldilocks dal suo sole?

L’energia emessa da un corpo nero 1 dipende esclusivamente dalla quarta potenza della temperatura moltiplicata per la costante di Stefan-Boltzmann che vale  5,67 \cdot{10^{-8}} W/m^2 K^4 e indicata con la lettera greca \sigma (sigma).
Quindi proviamo a calcolare l’area del Sole:

    \[ 4 \cdot  \pi \cdot {6,96 \cdot 10^{8}}^2= {6,087 \cdot {10^{18}} \ \ m^2 \]

Adesso è possibile calcolare per la temperatura superficiale del Sole, 5778 Kelvin, l’energia emessa in watt per ogni secondo dal Sole:

    \[ {6,087 \cdot{10^{18}} \cdot 5,67 \cdot{10^{-8}} \cdot 5778^ 4 = {3,85 \cdot{10^{26} \]

Una cifra veramente astronomica, magari insignificante rispetto a molte altre stelle 2 come Sirio, Canopo o Vega, da cui dipende però la nostra vita e che è necessario conoscere per i passaggi successivi.
Si è detto che dunque la Zona Goldilocks è quel guscio attorno alla stella in cui l’acqua si presenta allo stato liquido, per cui considerando una pressione ambientale di 100 kPa (una atmosfera) come sulla Terra, l’acqua è liquida in un intervallo di temperature compreso tra 0 e 100° C, ovvero tra 273,15° K e 283,15° K.

Una vista mozzafiato della Terra vista dallo spazio.

Calcolando quindi a quale distanza dalla sorgente di radiazione di corpo nero si ha l’equilibrio per queste due temperature – tralascio i passaggi di mero calcolo per evitarvi il mal di testa,  si ottiene una Zona Goldilock compresa tra 0,55 e 1,04 UA. La Terra senza un po’ di effetto serra atmosferico sarebbe molto più fredda.
Ma questo intervallo di temperature non è poi così corretto.
Il vapore acqueo ha un potenziale serra molto alto. La Terra si trova in un’orbita di equilibrio termico appena al di sopra del punto di congelamento dell’acqua (278° K). Questo significa che l’emissione radiativa 3 del pianeta cade nell’infrarosso, proprio dove alcuni gas, vapore acqueo, metano e anidride carbonica assorbono e riemettono di più, trattenendo di conseguenza questa radiazione. Questo fa crescere la temperatura reale fino a 20° C di media. Ma se questa arrivasse a soli 40° C, l’evaporazione dell’acqua innescherebbe un effetto valanga capace di portare la temperatura fino a livelli incredibilmente alti; più o meno quello che è successo al pianeta Venere.
Inoltre alcune zone della Terra presentano condizioni di temperatura ben al di sotto del punto di congelamento dell’acqua, pertanto una temperatura di -10° C (263° K) può essere considerata tollerabile per la vita, anche in virtù delle probabili sorgenti di calore endogeno localizzate originate dal decadimento radioattivo delle rocce di cui un pianeta è composto.
Con questi nuovi valori, la Zona Goldilocks del nostro Sistema Solare può estendersi ragionevolmente tra le 0,8 e 1,2 AU dal Sole, è proprio una fortuna esserci capitati proprio in mezzo.

Comunque sono molti i fattori che incidono sulla temperatura effettiva di un pianeta: la composizione chimica dell’atmosfera, l’albedo alle lunghezze d’onda dove la stella ha il picco di emissione, il calore endogeno, solo per citarne alcuni più importanti. Questo potrebbe ampliare – o magari ridurre – anche di molto l’estensione della Zona Goldilocks, tant’è che magari un pianeta grande il doppio del nostro potrebbe essere abitabile anche nell’orbita di Marte.


Note:

  1. La radiazione elettromagnetica emessa da una stella è la cosa più simile all’ideale radiazione di corpo nero che esista in natura.
  2. Nel 1959 l’astronomo inglese Freeman Dyson ipotizzò che una civiltà tecnologicamente evoluta avrebbe potuto costruire un guscio di collettori solari intorno alla sua stella grande quanto l’orbita terrestre per intercettarne tutta la radiazione emessa.
  3. Anche la Terra riemette gran parte dell’energia che riceve dal Sole nello spazio come radiazione di corpo nero. In linea di massima il rapporto tra energia ricevuta e  energia riflessa somiglia al concetto di albedo, ma quest’ultimo è profondamente influenzato dalla lunghezza d’onda e dall’angolo della radiazione incidente.

Umberto Genovese

Autodidatta in tutto - o quasi, e curioso di tutto - o quasi. L'astronomia è una delle sue più grandi passioni. Purtroppo una malattia invalidante che lo ha colpito da adulto limita i suoi propositi ma non frena il suo spirito e la sua curiosità. Ha creato il Blog Il Poliedrico nel 2010 e successivamente il Progetto Drake (un polo di aggregazione di informazioni, articoli e link sulla celebre equazione di Frank Drake e proposto al l 4° Congresso IAA (International Academy of Astronautics) “Cercando tracce di vita nell’Universo” (2012, San Marino)) e collabora saltuariamente con varie riviste di astronomia. Definisce sé stesso "Cercatore".

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