Il “motore” che causa la formazione della chioma e della coda delle comete: le transizioni di fase.
Nella seconda parte di questo racconto che ha per oggetto le comete, voglio utilizzare una analogia con i dispositivi che utilizziamo comunemente nelle nostre attività, ossia sfruttando il paradigma della “macchinaCon una definzione molto generale, sistema per convertire l’energia in movimento meccanico, modificando ciclicamente lo stato di una sostanza“, per parlare delle molecole che compongono le strutture cometarie, cercando di fornire una visione generale mediante concetti dell’esperienza quotidiana.
Allora… come abbiamo visto nell’articolo precedente, le comete sono un conglomerato di ghiaccio e polvere cosmica. Ma che cos’è il “ghiaccio”? Certo, lo sappiamo dalla nostra esperienza, essendo parte dell’ambiente naturale in cui viviamo: sulla Terra il ghiaccio abbonda nelle regioni polari nord e sud, lo troviamo sulle più alte montagne, anche se i ghiacciai perenni stanno da anni (e da molti decenni, ormai) diminuendo la loro estensione. E nella stagione invernale, anche se con sempre minore frequenza, lo ritroviamo talvolta alle nostre latitudini proprio sulla porta di casa, come parte del nostro ambiente nel corso della stagione invernale. Più prosaicamente poi, lo utilizziamo nella stagione calda in forma di piccoli cubetti, per raffreddare le bevande… Il ghiaccio sulla Terra è acqua che, ad una certa pressione e temperatura, ha cambiato il proprio statoIl modo in cui la materia è riconoscibile attraverso la nostra esperienza. Gli stati della materia conoscibili empiricamente sono tre: solido, liquido, gassoso; un quarto stato è definibile, non empiricamente, tramite le sue proprietà fisiche: lo stato di plasma, ossia un gas ionizzato a causa di una diminuzione di calore (energia): da liquido è cioè diventato solido.
Nel linguaggio della fisica, l’acqua (H2O) è stata oggetto di una transizione di fase, passando dallo stato liquido a quello solido; invertendo il processo, ossia fornendo energia, il ghiaccio solido ritornerà allo stato liquido, ossia acqua. Questo breve esempio dei modi in cui l’acqua cambia il proprio stato, fa parte di quanto possiamo verificare nel nostro ambiente naturale, ed è sistematizzato nella termodinamica, che è la descrizione (formulata nel 19° secolo) del modo in cui una forma particolare di energia (il calore) interagisce con la materia; la definizione termodinamica del cambiamento di stato dell’acqua solido ⇆ liquido è la seguente: “lo stato della sostanza H2O è cambiato da solido (ghiaccio) a liquido (acqua) durante una transizione di fase a pressione e temperatura costanti, causata da un aumento di energia (calore) ceduto alla sostanza dall’ambiente in cui si trova“.
Nella tabella seguente sono indicate le pressioni e temperature di sublimazione della transizione di fase solido ⇆ gassoso (sublimazione) per i componenti principali presenti nelle comete (H2,O, NH3, CH4).
| Sostanza | Pressione di sublimazione | Temperatura di sublimazione |
|---|---|---|
| Acqua (H20) | 0.006 Atmosfere | 0.01 °C |
| Ammoniaca (NH3) | 0.0599 Atmosfere | -77.75 °C |
| Metano (CH4) | 0.115 Atmosfere | -182.47 °C |
Quindi le comete sono “macchine” che sviluppano chioma e coda utilizzando l’energia solare per avviare le transizioni di fase, ossia la sublimazione delle tipologie di ghiaccio che le compongono. Ma alcuni dati nella tabella precedente, possono fornirci ancora alcuni concetti del quadro generale.
Avvio del “motore”: in quali condizioni ambientali si sviluppano le strutture cometarie.
I valori presenti nella tabella precedente sono quelli che definiscono le condizioni del punto triploValori della pressione e temperatura di una sostanza in cui coesistono, in condizioni di equilibrio, le fasi solida, liquida e gassosa di una sostanza. Le transizioni di fase di una sostanza dipendono dalle condizioni ambientali, ossia da pressione e temperatura, e lo possiamo vedere nella figura successiva.
Tralasciando il significato del punto critico, che esula dallo scopo di questa descrizione della struttura cometaria, e senza approfondire troppo tutto quello che la figura precedente rappresenta, se guardiamo la curva di colore rosso che collega l’origine delle coordinate al punto triplo vediamo come a pressioni inferiori a Pt (pressione di punto triplo) la sostanza all’aumentare della temperatura sublima, senza passare attraverso la fase liquida.
E questo, come già scritto prima, è quanto succede nelle comete.
La pressione nella corona di una cometa è molto bassa rispetto alle pressioni normalmente presenti sulla Terra, determinata dalla quantità del gas e delle polveri presenti nella corona e dall’intensità del vento solare: questa densità è piccola, poiché la maggior parte del materiale espulso dalla cometa si trova nella coda. Numericamente, la pressione nella chiioma di una cometa è di solito inferiore a pochi pascalUnità di misura della pressione nel sistema di misura internazionale MKS (metro, chilogrammo, secondo); 1 atmosfera = 105 pascal, quindi oltre 10000 volte inferiore alla pressione atmosferica terrestre al livello del mare; la pressione del gas e delle polveri nella coda di una cometa è generalmente ancora inferiore rispetto a quella nella corona.
Le condizioni dell’ambiente spaziale sono estremamente differenti da quelle presenti sulla superficie terrestre: la temperatura è molto bassa (qualche grado sopra lo zero assoluto, indicativamente -270 °C, quando la cometa è lontana dal Sole) ed il concetto di pressione perde praticamente significato. Quando però i ghiacci cometari iniziano a sublimare per azione della radiazione solare, pressioni e temperature all’interno della chioma in fase di sviluppo aumentano, arrivando rispettivamente a circa 10 pascal e -100 °C (nella coda la pressione è ancora inferiore, indicativamente di qualche pascal). In queste condizioni ambientali possiamo vedere nella tabella precedente quando (ossia a quale pressione e temperatura) acqua, metano ed ammoniaca sublimano. Il fenomeno è descrivibile in un modello dinamico termico e chimico complesso: la transizione di fase di una sostanza altera pressioni e temperature locali nella chioma, e questo innesca la transizione di fase di altre sostanze, modificando ulteriormente le condizioni dell’ambiente.
Potremmo fermarci qui.
Per completezza aggiungo però ancora alcuni aspetti al quadro generale descritto. Le sostanze come acqua, ammoniaca e metano possono avere diffrenti tipi di forme solide, ossia differenti tipologie di “ghiaccio”. Prendendo l’acqua ad esempio, Il ghiaccio d’acqua normale (Ghiaccio Ih) è la forma ordinaria di ghiaccio d’acqua alla pressione atmosferica e alla temperatura ambiente (1 atmosfera, 20 °C), ma esistono anche forme di ghiaccio d’acqua dense (Ghiaccio VI e VII) che si formano a pressioni più elevate e temperature più basse; inoltre, esiste una forma di ghiaccio d’acqua nota come ghiaccio amorfo, che è una forma di ghiaccio d’acqua priva di struttura cristallina. Il ghiaccio amorfo può essere formato a temperature molto basse e pressioni molto basse, tipiche degli ambienti cometari.
La presenza di tipologie di ghiaccio differenti dalla forma normale potrà essere confermate da future ricerche, studiando anche gli effetti delle transizioni di fase di pressurizzazione. La pressurizzazione è una transizione di fase in cui la pressione esterna su un materiale viene aumentata, modificandone la struttura interna; transizioni di questo tipo sarebbero in grado di modificare i tipi di ghiaccio presenti da una forma all’altra. In particolare per il ghiaccio, la pressurizzazione può causare una transizione tra diverse fasi cristalline (ad esempio trasformazione da una fase cristallina a bassa densità a una fase cristallina ad alta densità, o da ghiaccio amorfo a cristallino e viceversa) ed inoltre anche la formazione di composti chimici stabili a pressioni elevate che non esisterebbero a pressioni più basse.
In definitiva, quando una cometa si avvicina al Sole, fenomeni fisici abbastanza semplici si combinano tra loro per dare vita ad un risultato tanto complesso quanto magnifico da osservare e studiare.
