Cos’è la Luna?

La Luna è il satellite naturale della Terra. Orbita a circa 384400 km di distanza e può essere osservata a occhio nudo

Cos'è la Luna?
Cos’è la Luna? La Luna è il satellite naturale della Terra. Orbita a circa 384400 km di distanza e può essere osservata a occhio nudo.

Sulla sua superficie sono presenti macchie scure chiamate “mari“, regioni piatte coperte da rocce basaltiche e detriti scuri, e macchie chiare chiamate “terre alte” o “altopiani“, elevate di vari chilometri rispetto ai mari e con rilievi alti anche 8000-9000 metri.

La Luna è in rotazione sincrona e rivolge sempre la stessa faccia verso la Terra. Il suo lato nascosto è rimasto sconosciuto fino al periodo delle esplorazioni spaziali.

Durante il suo movimento orbitale, la diversa apparenza causata dall’orientamento rispetto al Sole genera delle fasi facilmente visibili che hanno influenzato il comportamento umano fin dall’antichità. Rappresentata dagli antichi Greci nella figura della dea Selene, è stata a lungo considerata un fattore influente per i raccolti, le carestie e la fertilità. La Luna influenza la vita sulla Terra di molte specie viventi, controllando il ciclo riproduttivo e i periodi di caccia, oltre ad avere un impatto sulle maree e sulla stabilità dell’asse di rotazione terrestre.

Si ritiene che la Luna sia stata formata 4,5 miliardi di anni fa, poco dopo la nascita della Terra. Ci sono diverse teorie riguardo alla sua formazione, ma la più accreditata è quella secondo cui si è formata attraverso l’aggregazione dei detriti rimasti in orbita dopo la collisione tra la Terra e un oggetto delle dimensioni di Marte chiamato Theia.

Il suo simbolo spaziale ☾[9] è una rappresentazione stilizzata di una sua fase (compresa tra l’ultimo quarto e il novilunio visto dall’emisfero settentrionale, oppure tra il novilunio e il primo quarto visto dall’emisfero meridionale).

La superficie visibile della Luna è caratterizzata dalla presenza di circa 300.000 crateri causati da impatti (contando quelli con un diametro di almeno 1 km). Il cratere più grande della Luna è il bacino Polo Sud-Aitken, che ha un diametro di circa 2.500 km, una profondità di 13 km e si trova nella parte meridionale della faccia nascosta.

Etimologia

Il termine “luna” proviene dal latino “lūna“, che a sua volta deriva dall’antico *louksna, proveniente dalla radice indoeuropea “leuk-” con il significato di “luce” o “luce riflessa“. Analogie semantiche si possono trovare nel sanscrito “chandramā” (“luna”, considerata come una divinità) e nel greco antico “selḗnē” (“fulgore”, “splendore”).

Fasi lunari

Il Sole parzialmente illumina la parte visibile della Luna e questo cambia l’aspetto giorno dopo giorno in un ciclo di un mese sinodico. Le variazioni dell’aspetto della Luna percepito dalla Terra sono chiamate fasi lunari e sono state osservate da tutti i popoli dell’antichità. In genere, sono distinte 2 fasi: una in crescita quando la parte visibile illuminata aumenta, e una in diminuzione quando diminuisce.

Le 2 situazioni estreme si hanno quando la Luna si trova tra la Terra e il Sole e la parte illuminata non è visibile, detta novilunio, e quando la parte illuminata è completamente visibile, detta plenilunio. Poiché l’orbita della Luna è inclinata di 5,145 gradi rispetto all’eclittica (cioè 5°, 8′ e 0,42″ nel sistema sessagesimale), durante il novilunio (congiunzione eliaca della Luna) la Luna si trova un po’ più a settentrione (o leggermente più a meridione) rispetto al Sole, per cui non ne blocca la luce, a meno che non transiti per un nodo e provochi un’eclissi.

Al contrario, durante il plenilunio, la Terra si trova tra il Sole e la Luna, in modo che quest’ultima rivolga la faccia illuminata completamente verso il nostro pianeta (opposizione); anche in questo caso, a causa dell’inclinazione orbitale, la luce del Sole non viene bloccata dalla Terra, a meno che la Luna non transiti per un nodo e provochi un’eclissi di luna.

Luna del Raccolto

La Luna piena più prossima all’equinozio d’autunno, osservata dall’emisfero settentrionale, ha una caratteristica unica. Nel giorno del plenilunio, la Luna sorge al momento del tramonto del Sole e, a causa del suo movimento apparente verso est, il giorno successivo sorge leggermente in ritardo rispetto al tramonto del Sole, mediamente di 50 minuti. In prossimità dell’equinozio d’autunno, questo ritardo si riduce a soli 30-40 minuti a 40 gradi di latitudine nord.

Così, il periodo di oscurità tra il tramonto del Sole e la levata della Luna è minore rispetto agli altri periodi dell’anno, garantendo ai contadini, in tempi antichi, un periodo di luce più lungo per il raccolto. Per questo motivo, la Luna piena più vicina all’equinozio d’autunno è conosciuta come “Luna del Raccolto“.

Eclissi solari e lunari (parziali e totali)

Quando la Luna durante la sua orbita si interpone tra la Terra e il Sole, si verifica un’eclissi solare, che può essere totale o anulare a seconda della posizione della Luna.

Nel caso in cui la Luna sia abbastanza vicina alla Terra, l’eclissi solare sarà totale e il Sole verrà completamente oscurato per alcuni minuti durante il giorno. Tuttavia, se la Luna è più lontana, l’eclissi solare sarà solo parziale e il Sole apparirà come una mezzaluna luminosa.

Questo evento non si verifica ad ogni novilunio, ma solo quando l’asse nodale della Luna coincide con la direzione Terra-Sole. Questo può provocare una serie di eclissi consecutive che si ripetono ogni circa 18 anni, in quello che viene chiamato il ciclo di Saros.

Le eclissi solari rappresentano un’ottima opportunità per studiare la corona solare, che normalmente non è visibile a causa dell’eccessiva luminosità del Sole. Tuttavia, le eclissi solari parziali possono proiettare solo la penombra della Luna sulla Terra e quindi ridurre solo parzialmente la luminosità del Sole. Gli scostamenti dell’asse nodale possono influenzare la posizione dell’ombra e la durata dell’eclissi solare.

Un altro fenomeno interessante si verifica quando la Terra proietta la sua ombra sulla Luna, evento noto come eclissi lunare, che si verifica quando l’asse nodale dell’orbita lunare si allinea con la direzione Terra-Sole al plenilunio. Durante l’eclissi, la Luna piena gradualmente perde di luminosità entrando nella penombra terrestre e poi si oscura completamente quando entra nel cono d’ombra.

A differenza dell’eclissi solare, l’eclissi lunare può durare diverse ore a causa della differenza di grandezza tra i corpi che proiettano l’ombra.

Luna rossa

A volte si può osservare la Luna che appare rossastra quando sorge. Questo fenomeno è causato dal fatto che la luce lunare (che proviene dal Sole e viene riflessa sulla Terra) deve attraversare uno strato atmosferico più ampio rispetto a quello che trova quando si trova più in alto nel cielo. La radiazione luminosa deve quindi superare una maggiore quantità di polveri e turbolenze dell’aria e subisce una maggiore diffusione.

Questo effetto è più evidente sui raggi a frequenza più elevata, cioè quelli di colore blu, rispetto a quelli a frequenza più bassa, cioè quelli di colore rosso (scattering di Rayleigh). Di conseguenza, poiché la componente rossa della luce lunare viene meno dispersa e arriva direttamente ai nostri occhi, la Luna appare di colore rosso. Il fenomeno della Luna rossa si verifica anche durante le eclissi lunari totali, per gli stessi motivi.

L’esplorazione della Luna

La faccia nascosta, sempre opposta alla Terra, della Luna venne osservata per la prima volta il 7 ottobre 1959, quando la sonda sovietica Luna 3 fu messa in orbita attorno alla Luna e inviò alcune fotografie alla Terra.

Gli esseri umani hanno messo piede per la prima volta sulla Luna il 20 luglio 1969, in occasione di una competizione spaziale tra Unione Sovietica e Stati Uniti, scatenata dalla guerra fredda (durante la quale entrambe le superpotenze avevano anche progetti militari volti a utilizzare la Luna come base o per esperimenti che prevedevano l’uso di armi nucleari, come il Progetto A119). Il programma lunare sovietico fu tenuto nascosto dalle fonti ufficiali moscovite fino alla fine della guerra fredda.

Il primo astronauta a camminare sulla superficie lunare fu lo statunitense Neil Armstrong, comandante dell’Apollo 11. L’ultimo fu Eugene Cernan, che dopo 3 giorni e 3 ore trascorsi sulla superficie lunare con il collega della missione Apollo 17, Harrison J. Schmitt, la lasciò il 14 dicembre 1972.

L’equipaggio dell’Apollo 11 lasciò una targa di acciaio inossidabile per commemorare lo sbarco e lasciare informazioni sulla visita a qualsiasi altra forma di vita che l’avesse trovata.

Sulla targa c’è scritto: “Here men from the Planet Earth first set foot upon the moon, July 1969, A.D. We came in peace for all mankind”. (“Qui, uomini dal pianeta Terra posero piede sulla Luna per la prima volta, luglio 1969 D.C. Siamo venuti in pace, per tutta l’umanità”).

La targa rappresenta i due emisferi della Terra e presenta le firme dei tre astronauti e del presidente Richard Nixon, all’epoca.

Complessivamente, le missioni Apollo toccarono la Luna sei volte (Apollo 11, 12, 14, 15, 16 e 17), portando un totale di 12 astronauti a camminare sulla superficie lunare. L’equipaggio della missione Apollo 13 non atterrò a causa di un incidente durante il volo, mentre le successive missioni previste, Apollo 18, 19 e 20, furono cancellate per tagli di bilancio.

A partire dagli anni ’70, è emersa una teoria del complotto secondo cui le missioni Apollo non sarebbero mai avvenute, ma sarebbero state organizzate dalla NASA e dal governo degli Stati Uniti attraverso una cospirazione realizzata in studi televisivi con l’ausilio di effetti speciali. Nonostante queste teorie siano state smentite e ci siano numerose prove degli allunaggi delle missioni Apollo, l’argomento continua a suscitare polemiche.

Dopo il programma Apollo, nessun essere umano ha più messo piede sulla Luna. Gli statunitensi, dopo aver vinto la corsa spaziale contro i sovietici e in seguito a problemi interni e internazionali, hanno perso interesse per le missioni con equipaggio. I sovietici, invece, hanno continuato ad inviare sonde automatiche, tra cui le Lunochod, alcune delle quali, come Luna 16, hanno riportato campioni di suolo lunare sulla Terra. Le altre nazioni non avevano le risorse necessarie, mentre le due superpotenze non vedevano un vantaggio immediato nell’esplorazione spaziale, ritenendo che i costi fossero troppo alti. Tuttavia, sono stati pubblicati diversi studi relativi alla creazione di basi permanenti sulla Luna.

Negli anni 2000, l’esplorazione lunare è stata ripresa. Nel 2003, l’Agenzia Spaziale Europea ha lanciato la sonda spaziale SMART-1. La sonda, equipaggiata con un propulsore ionico, ha raggiunto la Luna all’inizio del 2005 e ha eseguito una mappatura completa della Luna, producendo una mappa a raggi X della superficie.

Nel 2007, l’Agenzia Spaziale Giapponese ha lanciato la sonda SELENE (ribattezzata Kaguya dopo il lancio), che ha eseguito una mappatura della superficie lunare con particolare attenzione alle anomalie del campo gravitazionale lunare. Nello stesso decennio, i paesi emergenti dell’Asia hanno lanciato le loro prime missioni lunari: la Cina ha lanciato le missioni Chang’e 1 e 2 nel 2007 e nel 2010, rispettivamente, mentre l’India ha lanciato Chandrayaan-1 nel 2008.

Nel 2009, la NASA ha lanciato le missioni LCROSS e Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO). La prima era dedicata all’individuazione della presenza di acqua sulla Luna, la seconda per effettuare una ricognizione ad alta risoluzione della superficie lunare. Dal 2011, LRO è affiancata dalla missione GRAIL, sviluppata per studiare il campo gravitazionale lunare e, in base a questo, dedurre dettagli sulla topografia e composizione della crosta e del mantello sottostante.

La vista della Terra dalla Luna

Dalla prospettiva della Luna, la Terra appare ferma in un punto fisso della volta celeste, ma si sposta sulla superficie lunare, raggiungendo una dimensione di 2° (circa 3,5 volte la grandezza della Luna piena vista dalla Terra).

Le prime fotografie della Terra vista dalla Luna furono scattate dai 5 Lunar Orbiter, che la NASA inviò tra il 1966 e il 1967, con l’obiettivo di esplorare la superficie e selezionare i luoghi ideali per gli allunaggi delle missioni Apollo in programma. Successivamente, durante le missioni Apollo, furono scattate ulteriori foto.

Attualmente, numerosi orbiter lunari stanno ancora catturando immagini del nostro pianeta. Nel 2007, la sonda giapponese Kaguya scattò numerose foto della superficie lunare, tra cui una che mostra il disco della Terra all’orizzonte. Anche la NASA, con il suo Lunar Reconnissance Orbiter, sta ancora operando in tale senso.

Le fasi della Terra

Come la Luna vista dalla Terra, l’aspetto della Terra vista dalla Luna cambia a seconda dell’angolo di incidenza dei raggi solari.

Quando sulla faccia della Luna rivolta verso la Terra è notte, il momento corrisponde alla fase di novilunio sulla Terra, che appare completamente illuminata nel cielo.

Quando, invece, sulla faccia rivolta verso la Terra è giorno, il momento corrisponde alla fase di plenilunio sulla Terra, che appare oscura. Infatti, il plenilunio è visibile dalla Terra solo di notte (quando la Luna è completamente opposta al Sole)[80].

Infine, ciò che appare come un’eclissi lunare dalla Terra, sulla Luna corrisponde a un’eclissi solare, poiché durante tali allineamenti il disco della Terra oscura il Sole.

Formazione della Luna

Diverse teorie sono state proposte per spiegare la formazione della Luna. Secondo la datazione isotopica dei campioni di roccia lunare portati sulla Terra dagli astronauti delle missioni Apollo, la Luna risale a 4,527 ± 0,010 miliardi di anni fa, cioè circa 50 milioni di anni dopo la formazione del sistema solare.

Tra le ipotesi proposte, vi è quella dell’origine per fissione della crosta terrestre a causa della forza centrifuga, che tuttavia richiederebbe un valore iniziale troppo elevato per la rotazione terrestre. Vi è inoltre l’ipotesi della cattura gravitazionale di un satellite già formato, ma questa richiederebbe un’estensione enorme dell’atmosfera terrestre per dissipare l’energia cinetica del satellite in transito. Altre teorie suggeriscono la co-formazione di entrambi i corpi celesti nel disco di accrescimento primordiale, ma non spiegano la scarsità di ferro metallico sulla Luna. Nessuna di queste teorie è in grado di spiegare l’alto valore del momento angolare del sistema Terra-Luna.

La spiegazione più accettata sostiene che la Luna si sia formata a seguito dell’impatto tra la Terra e un planetesimo chiamato Theia, grande quanto Marte, durante la fase iniziale di formazione della Terra quando questa era ancora molto calda. Il materiale prodotto dall’impatto sarebbe rimasto in orbita attorno alla Terra e avrebbe formato la Luna grazie alla forza gravitazionale. Questa teoria, chiamata “teoria dell’impatto gigante“, è supportata da modelli teorici pubblicati nel 2001. La composizione della Luna è quasi identica a quella del mantello terrestre privato degli elementi più leggeri, suggerendo una connessione tra i 2 corpi. Inoltre, l’inclinazione dell’orbita lunare esclude la possibilità che la Luna si sia formata insieme alla Terra o che sia stata catturata in seguito.

Un’analisi condotta dalla NASA nel maggio 2011 ha rilevato una concentrazione d’acqua nel magma lunare 100 volte superiore a quella precedentemente stimata, in contrasto con l’idea che l’acqua sarebbe evaporata durante l’impatto gigante. Inoltre, un altro studio della NASA suggerisce che la faccia nascosta della Luna potrebbe essere il risultato della fusione tra la Luna e una seconda luna della Terra, spiegando anche la sua topografia più accidentata rispetto alla faccia visibile.

Caratteristiche fisico-chimiche

Circa 4,5 miliardi di anni fa, la superficie della Luna era un mare di magma fuso. Gli scienziati ritengono che uno dei costituenti delle rocce lunari, chiamato KREEP, acronimo di K (potassio), elementi delle terre rare e P (fosforo), rappresenti l’ultimo residuo del magma originale. Il KREEP è costituito da ciò che gli scienziati chiamano “elementi incompatibili“: elementi che non possono essere incorporati nelle strutture cristalline e quindi rimangono inutilizzati sulla superficie del magma. Per i ricercatori, il KREEP è un indicatore utile per determinare la storia del vulcanismo lunare e tracciare la cronologia degli impatti di comete e altri oggetti celest.

La crosta lunare è costituita da una varietà di elementi primari: uranio, torio, potassio, ossigeno, silicio, magnesio, ferro, titanio, calcio, alluminio e idrogeno. Utilizzando i dati forniti dalla missione GRAIL sulle caratteristiche della crosta lunare, i ricercatori hanno ottenuto preziose informazioni sulla composizione interna del satellite, scoprendo che contiene circa la stessa percentuale di alluminio della Terra. Quando vengono colpiti dai raggi cosmici, gli elementi emettono una radiazione particolare sotto forma di raggi gamma. Alcuni elementi, come l’uranio, il torio e il potassio, sono radioattivi ed emettono spontaneamente raggi gamma. Indipendentemente dalla loro causa, i raggi gamma emessi da ogni elemento sono diversi e uno spettrometro può distinguerli, così è stato possibile scoprirne l’esistenza[108]. Non è ancora stata creata una mappa globale della Luna che mostri l’abbondanza di questi elementi.

Le ere geologiche della Luna sono definite in base alla datazione di alcuni crateri che hanno avuto un impatto significativo sulla sua storia.

Struttura interna

La Luna presenta una struttura interna differenziata, simile a quella della Terra, con una crosta, un mantello e un nucleo. L’astenosfera del mantello è parzialmente fusa e non è attraversabile dalle onde sismiche di tipo S. Il nucleo è composto da una parte solida di ferro con un raggio di 240 km, circondata da un guscio esterno di ferro liquido con un raggio di circa 300 km. Attorno al nucleo si trova una fase parzialmente fusa con un raggio di circa 500 km, composta principalmente da ferro metallico in lega con piccole quantità di zolfo e nichel.

Questa struttura si è sviluppata attraverso una cristallizzazione frazionata dell’oceano di magma che ricopriva la Luna durante la sua formazione, circa 4,5 miliardi di anni fa. La cristallizzazione ha portato alla formazione del mantello femico e della crosta superficiale composta principalmente da anortosite. Il mantello lunare è più ricco in ferro di quello terrestre e presenta una composizione mafica.

Gli ultimi liquidi a cristallizzare si sono compressi tra la crosta e il mantello, dando vita ad una fase parzialmente fusa e caratterizzata da un’elevata abbondanza di elementi scarsamente compatibili ed esotermici. La mappatura geochimica effettuata dalle sonde in orbita ha mostrato che la crosta lunare è prevalentemente a base di anortosite. Le ultime stime effettuate dalla missione GRAIL hanno dimostrato che la crosta lunare è più sottile di quanto si pensasse in precedenza, con uno spessore medio di 32-34 km.

Nonostante sia il secondo satellite più denso del sistema solare dopo Io, il nucleo interno lunare è piuttosto piccolo in confronto alla dimensione totale del satellite, rappresentando solo il 20% di essa, rispetto al circa 50% degli altri satelliti di tipo terrestre.

Presenza di acqua sulla Luna

La Luna, durante la maggior parte della sua antica storia, è stata bombardata da asteroidi e comete, quest’ultime contenenti tracce d’acqua. L’energia solare ha scomposto la maggior parte di questa acqua nei suoi componenti, idrogeno e ossigeno, che perlopiù si sono dispersi nello spazio. Tuttavia, si è ipotizzato che quantità significative di acqua possano essersi conservate sulla superficie della Luna, in aree perpetuamente all’ombra o all’interno della crosta lunare.

A causa della bassa inclinazione dell’asse di rotazione lunare (solo 1,5°), alcuni dei crateri polari più profondi non ricevono mai luce diretta dal Sole, rimanendo sempre in ombra. Secondo i dati raccolti durante la missione Clementine, potrebbero esserci depositi di ghiaccio d’acqua sul fondo di tali crateri. Missioni successive hanno cercato di confermare questi risultati, ma non hanno fornito dati definitivi.

Come parte del suo programma di ritorno sulla Luna, la NASA ha finanziato il Lunar Crater Observation and Sensing Satellite. La sonda è stata progettata per osservare l’impatto dello stadio superiore del razzo vettore Centaur, che l’avrebbe portata in orbita, su una regione permanentemente all’ombra vicino al Polo Sud lunare. L’impatto del razzo è avvenuto il 9 ottobre 2009, seguito quattro minuti dopo da quello della sonda, che ha attraversato il pennacchio di detriti così sollevato e ha analizzato la sua composizione.

Il 13 novembre 2009, l’agenzia spaziale NASA ha annunciato che, dopo un’analisi preliminare dei dati raccolti durante la missione LCROSS, sono stati rilevati depositi di ghiaccio d’acqua vicino al Polo Sud della Luna. Nello specifico, sono state individuate linee di emissione dell’acqua nello spettro visibile e ultravioletto del pennacchio prodotto dall’impatto dello stadio superiore del razzo sulla superficie lunare che aveva portato la sonda in orbita. Inoltre, è stata rilevata la presenza di idrossile, prodotto dalla scissione dell’acqua investita dalla radiazione solare.

L’acqua sotto forma di ghiaccio potrebbe essere estratta in futuro e quindi divisa in idrogeno e ossigeno utilizzando generatori a energia solare. La quantità di acqua presente sulla Luna è un fattore importante per rendere possibile la sua colonizzazione, poiché il trasporto dall Terra sarebbe estremamente costoso.

L’acqua potrebbe essere contenuta all’interno della Luna e derivare dalla sua formazione, come rileva uno studio condotto dalla NASA nel maggio 2011. Lo studio suggerisce che la quantità di acqua presente sulla Luna potrebbe essere simile a quella terrestre e quindi i depositi rilevati potrebbero essere stati generati dalle eruzioni magmatiche del passato.

Campo magnetico

Per oltre un miliardo di anni dalla sua formazione, la Luna possedeva un campo magnetico comparabile a quello terrestre. Gran parte del calore necessario per mantenere fluido il nucleo esterno e il mantello era generato, in parte dal decadimento degli isotopi radioattivi, ma soprattutto dalle forze mareali esercitate dalla Terra, come accade ancora oggi per la luna gioviana Io. Le forze mareali provocavano un notevole attrito (e quindi un riscaldamento interno) negli strati interni della Luna.

All’inizio della sua storia, il satellite orbitava intorno al pianeta ad una distanza molto più vicina di quella attuale, il che faceva sì che la forza gravitazionale della Terra fosse in grado di fondere e mantenere allo stato fuso le rocce del mantello lunare e quelle del nucleo esterno (che sono ancora fuse). A distanza ravvicinata, le interazioni di marea tra la Terra e la Luna avrebbero, inoltre, fatto sì che il mantello del nostro satellite ruotasse leggermente diversamente dal suo nucleo, creando celle convettive che si mantennero fino a circa 3 miliardi di anni fa. Proprio questo movimento differenziale avrebbe indotto nel nucleo un rimescolamento in grado, almeno stando alle previsioni teoriche, di dare origine ad una dinamo magnetica.

Il campo magnetico attuale esterno della Luna è molto debole, variando tra 1 e 100 nanotesla, circa un centesimo di quello terrestre. Non si tratta di un campo magnetico dipolare globale, che richiederebbe un nucleo interno liquido, ma solo di una magnetizzazione crostale, probabilmente acquisita nelle prime fasi della sua storia quando la geodinamo era ancora attiva. Parte di questa magnetizzazione residua potrebbe anche derivare da campi magnetici transitori generati durante grandi eventi d’urto attraverso l’espansione della nube plasmatica associata all’urto in presenza di un preesistente campo magnetico ambientale. Questa ricostruzione è supportata dalla localizzazione delle grandi magnetizzazioni crostali disposte agli antipodi dei grandi bacini d’urto.

Atmosfera