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Quanto impiega la luce del sole ad arrivare sulla terra

Quanto impiega la luce del sole ad arrivare sulla terra

#SistemaSolare giovedì 26 novembre 2020

Ultimo aggiornamento:2020-12-11T10:00:55Z

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Immaginde del Sole che evidenzia molto bene le sommità delle celle convettive. Per gentile concessione di Rainee Colacurcio La luce del Sole impiega molto più di 8 minuti a raggiungere la Terra. Questo tempo è relativo soltanto al tragitto dalla superficie della nostra stella fino al nostro pianeta. Ma c'è molto di più.
Quanto impiega la luce a raggiungere la Terra
Nucleo:dai 30.000 ai 100.000 anni
Zona radiativa:dai 10.000 ai 70.000 anni
Zona convettiva:10 giorni
Spazio Terra-Sole:8 miuti


Siamo abituati a pensare che la luce del Sole arrivi sulla Terra in 8 minuti.
Ma questo è vero solo se consideriamo il viaggio della luce dal momento in cui i fotoni abbandonano la superficie del Sole.
Tutt'altra cosa invece è considerare questo viaggio dal momento in cui nascono all’interno del Sole.
Già perché in questo caso ci vogliono dai 40 mila ai 170 mila anni!
Proprio così, i fotoni provenienti dal Sole, che ogni giorno bagnano i vostri occhi mostrandovi i volti delle persone che amate, i colori dei fiori, delle montagne, e del mondo, sono partiti dal nucleo del Sole decine di migliaia di anni fa.

Viene da chiedersi come mai: il Sole ha un raggio 700 mila chilometri, e la luce dovrebbe impiegare poco più 2 secondi a percorrerlo.
E viene da chiedersi anche il perché di tanta imprecisione nei numeri: da 40 mila a 170 mila anni c’è uno scarto di circa 4 volte.
Per rispondere a queste due domande dobbiamo fare un passo indietro e ripassare un attimo come si formano i fotoni e come è fatto il Sole.

Come nascono i fotoni nel Sole


Prima di tutto: come nascono la luce e i fotoni nel Sole?
Tutto ha inizio nel nucleo, dove la temperatura è di circa 15 milioni di gradi, e la pressione, causata dalla fortissima gravità, è circa 500 miliardi di volte più forte di quella sulla terra.

Nel nucleo il 74% della materia è composta da atomi di idrogeno, privati degli elettroni a causa della pressione e della temperatura: un plasma.

Questi nuclei così vicini si muovono a velocità incredibile a causa della temperatura, finendo inevitabilmente con lo scontrarsi e con il fondersi creando nuclei di Elio con massa leggermente più piccola. Questa differenza viene rilasciata come energia.

Questa energia viene convogliata verso l’esterno da particelle di luce: i fotoni.
I fotoni a questo punto devono viaggiare dal nucleo del Sole fino alla sua superficie, per poi poter partire verso la terra.
E questo viaggio, come dicevamo poco fa, può durare dai 40 mila ai 170 mila anni!

Ma come mai i fotoni impiegano così tanto tempo ad abbandonare il Sole? E come mai la stima è così approssimativa?
Il motivo è legato alla sua struttura.

Struttura del Sole


Abbiamo appena detto che i fotoni nascono nel nucleo.

Il nucleo contiene il 40% della massa del Sole in una dimensione stimata di circa il 20% di tutta la stella: un raggio di circa 150/175 mila chilometri.
La temperatura è di 15 milioni di gradi, e la densità è altissima: 150 grammi in ogni centimetro cubo.
Praticamente la metà del gas contenuto nel Sole, è stipato e compresso in un quarto della sua dimensione: uno spazio pari alla distanza Terra/Luna denso 150 volte più dell’acqua.

Attorno al nucleo c’è la zona radiativa, una involucro di gas ionizzato un po’ meno denso del nucleo con un raggio di circa 350 mila chilometri.
Qui la temperatura inizia a scendere e passa dai 15 milioni di gradi del nucleo, a circa 2 milioni di gradi.
La densità scende a 20 grammi/cm cubo: 20 volte quella dell’acqua.

Praticamente è grande più del doppio del nucleo e caldo l’85% in meno.
Il gas qui propaga la temperatura del nucleo verso l’esterno per radiazione, come un radiatore: da qui il nome di zona radiativa

Per finire, attorno alla zona radiativa troviamo lo strato convettivo: con un raggio di 200 mila chilometri e una temperatura che passa da 2 milioni di gradi a poco meno di 6 mila. Qui la densità scende drasticamente a circa 0,2 grammi/metro cubo: 5 milioni di volte meno dell’acqua. Per rendere di più l’idea, qui il gas è 10 mila volte più rarefatto dell’aria al livello del mare.

Il gas caldo a contatto con la zona radiativa, sfidando la gravità sale verso l’alto in enormi colonne convettive.
Una volta arrivato nelle parti più alte, si raffredda e torna a sprofondare verso il basso, come fa l’acqua in una pentola che bolle.

La sommità di queste celle convettive le vediamo ai telescopi sotto forma di granuli solari.
Guardando il Sole al telescopio saltano all'occhio anche le macchie, le facole, e molte altre particolarità di cui abbiamo parlato in questo approfondimento: Cosa c'è sulla superficie delle stelle
Più all’esterno troviamo la fotosfera, la cromosfera, e la corona: zone di gas molto rarefatte che non hanno un ruolo fondamentale nel viaggio dei fotoni.

Il viaggio di un fotone


E ora vediamo come mai i fotoni impiegano un tempo così lungo e approssimativo per risalire dal nucleo fino alla superficie.

È fondamentale capire che i fotoni, all’interno del Sole non viaggiano in linea retta come farebbero nello spazio.

Muoversi dal nucleo fino alla zona radiativa, significa per loro attraversare 150 mila chilometri di gas 150 volte più denso dell’acqua: non è come viaggiare nell’aria o nel vuoto.

Nel cuore del Sole i nuclei atomici sono talmente vicini che i fotoni sono costretti a rimbalzare continuamente in un percorso a zig zig assolutamente caotico, che dura dai 30 mila ai 100 mila anni.
L'imprecisione nel calcolo è da cercare in due fattori:
Il primo è la posizione in cui è nato il fotone: nella zona più interna o in quella più marginale del nucleo?
Il secondo è il numero di “rimbalzi casuali” che è costretto a fare prima di giungere nello strato successivo.
Che voi ci crediate o meno, questi due fattori sono fondamentali per calcolare il tempo impiegato da ogni fotone per attraversare il nucleo del Sole, e ci sono astrofisici che hanno speso mesi e anni della loro vita a calcolare il numero ipotetico di questi rimbalzi.

Quando poi i fotoni riescono ad abbandonare il nucleo, hanno a che fare con la zona radiativa, dove devono attraversare altri 300 mila chilometri, di gas denso e attivo.
Qui ogni fotone, oltre a rimbalzare per milioni di volte, viene anche continuamente assorbito e riemesso dal plasma che compone questo strato.
Anche questo processo impedisce loro di arrivare in superficie con un percorso rapido e lineare.
Per percorrere questo strato ogni fotone può impiegare dai 10 mila ai 70 mila anni.
Anche qui la differenza tra una stima e l’altra dipende dal numero di volte in cui il fotone rimbalza, viene assorbito, riemesso, e quindi deviato.

Superata la zona radiativa, finalmente i fotoni riescono a raggiungere la zona convettiva.
Questa zona è meno densa delle altre sue, e questo permette ai fotoni di assumere un percorso meno caotico e più diretto.
Inoltre, qui le forti correnti ascensionali di convezione fungono da nastro trasportatore verso la superficie.
La corsa lungo i 200 mila chilometri nella zona convettiva dura “soltanto” 10 giorni.
Potrebbe sembrare molto poco rispetto al tempo impiegato per attraversare il nucleo e la zona radiativa, ma è ancora un tempo spropositato se pensate che nel vuoto la luce percorre quello spazio in meno di un secondo.

E ora, raggiunto il margine superiore della zona convettiva, i fotoni sono pronti per abbandonare la nostra stella e raggiungere la Terra in solo 8 minuti.
Qui bagneranno i nostri occhi mostrandoci i colori della vita, della natura e della nostra splendida Terra.

Tutto questo per dire quindi, che la luce che ci raggiunge oggi dal Sole è nata in realtà nel suo nucleo più profondo molto più di 8 minuti fa, quando avete iniziato a leggere questo approfondimento. Ma decine di migliaia di anni fa, quando sulla Terra l’uomo di Neanderthal cacciava i primi Mammut.


Rappresentazione del Sole con le caratteristiche fisiche che coninvolgono il lungo viaggio dei fotoni verso la Terra


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