Chimica e didattica della chimica L'universo e il pianeta Luca Fiorani.
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Chimica e didattica della chimica
L'universo e il pianeta
Luca Fiorani
Luca Fiorani – Chimica e didattica della chimica
Cosa apprenderemo in questo modulo?
L’Universo: come è nato e quanti anni ha Il nostro pianeta: come si è formato e
come è comparsa la vita
Le risorse energetiche che ci regala la Terra
Luca Fiorani – Chimica e didattica della chimica
La vita è una fantastica avventura
Gli inglesi dicono che per raccontare bene una storia si deve ricorrere alla regola delle 5 W Who? Chi? Where? Dove? When? Quando? What? Cosa? Why? Perchè?
Who? L’uomo
Where? L’universo o cosmo
Luca Fiorani – Chimica e didattica della chimica
L’universo
L’universo è la nostra casa. Ognuno di noi è un essere spazio-temporale, viviamo infatti in un dato luogo e in un determinato periodo storico.
Il "luogo" è per noi una necessità. Abbiamo bisogno infatti di un "dove" per poter esplicare la nostra esistenza.
Che cosa sarebbe di noi senza un "dove"? Per autocomprenderci abbiamo bisogno di situarci e di conoscere il luogo del nostro stare.
Luca Fiorani – Chimica e didattica della chimica
Conoscenza dell’universo
Con il perfezionamento degli strumenti d’osservazione quali i telescopi e i radiotelescopi, l’uomo ha scoperto che il cosmo osservabile è incredibilmente vasto e riempito da un numero impressionante di strutture
Luca Fiorani – Chimica e didattica della chimica
Dimensioni dell’universo L’universo osservabile è incredibilmente
vasto. La nostra galassia ha un diametro di circa 100 mila anni-luce ed è composta da circa 100 miliardi di stelle di cui il nostro Sole è soltanto una. Ma nell’universo oggi osservato vi sono non meno di altri 100 miliardi di galassie.
Gli oggetti più distanti da noi che siamo in grado di osservare (quasars e galassie) sono distanti circa 10 miliardi di anni-luce. Il che vuol dire che la luce che noi riceviamo oggi da questi oggetti è partita da loro circa 10 miliardi di anni fa.
Luca Fiorani – Chimica e didattica della chimica
Cos'è un anno luce? L'anno luce (al) è un'unità di misura della
lunghezza, definita come la distanza percorsa dalla luce nell'intervallo di un anno
Infatti la luce è composta di particelle dette fotoni che viaggiano alla velocità più elevata che si conosca, ma comunque non infinita
Questa velocità è pari a 300.000 km al secondo
Per cui un fotone, in un anno, percorre una distanza pari a300.000 × 365 × 24 × 60 × 60 = 9461 miliardi di km
VelocitàDellaluce
Giorni in un anno
Ore in un giorno
MinutiIn un ora
Secondi in un minuto
Luca Fiorani – Chimica e didattica della chimica
Il telescopio spaziale Hubble l telescopio spaziale Hubble è un
telescopio posto negli strati esterni dell'atmosfera terrestre, a circa 560 km di altezza, in orbita attorno alla Terra (ogni orbita dura circa 92 minuti). È stato lanciato il 24 aprile 1990 con lo Space Shuttle Discovery e permette di osservare gli spazi interstellari senza l’interferenza dell’atmosfera terrestre.
Luca Fiorani – Chimica e didattica della chimica
Nascita ed età dell’universo (What? e When?) La domanda naturale osservando l’universo
è: come e quando è nato? Come? Le osservazioni attuali permettono
di concludere che: l’universo nasce con una grande esplosione
detta Big Bang l’universo si espande
Quando? Almeno 13.5 miliardi di anni fa (l’oggetto stellare più lontano osservato da noi dista 13.5 miliardi di anni luce) anche se si pensa che l'universo abbia 15 miliardi di anni
Luca Fiorani – Chimica e didattica della chimica
Teoria del Big Bang:prove sperimentali L’osservazione alla base
della Teoria del Big bang è il dato sperimentale che le galassie si allontanano tra di loro, come frammenti di una grossa palla di materia esplosa
Inoltre esiste un rumore di fondo nell’universo (radiazione cosmica di fondo) che viene interpretato come l’eco dell’esplosione
Luca Fiorani – Chimica e didattica della chimicaEtà dell’universo: prova
sperimentale La luce viaggia a 300.000 km al secondo Per cui se un oggetto che emette luce è distante
da me 300.000 km, la luce impiega un secondo a raggiungermi. La luce che vedo è quella emessa un secondo prima.
Quindi, se si sono osservati oggetti stellari (quasar) ad una distanza che la luce impiegherebbe 13.5 miliardi di anni a percorrere (13.5 miliardi di anni luce) vuol dire che la luce che oggi osserviamo è stata emessa 13.5 miliardi di anni fa. In conclusione, 13.5 miliardi di anni fa l’universo già esisteva!
300.000 Km
1 secondo
Luca Fiorani – Chimica e didattica della chimica
L’evoluzione dell’universo
La scienza non può parlare del Big Bang in sé (né di ciò che c'era prima) ma solo di quello che è accaduto dopo: è con la grande esplosione che hanno inizio lo spazio e il tempo
Le conoscenze attuali ci permettono di risalire a 10-43 secondi dopo l'inizio dell'universo
Dopo 10-4 s la temperatura è 1012 K: si formano elettroni, neutrini, protoni e neutroni (gli ultimi due a partire dai quark) in un "mare" di fotoni
Tra 14 s e 3 minuti si riduce il numero delle particelle dotate di massa: rimangono pochi elettroni, protoni e neutroni (per un quarto combinati a formare nuclei di elio) in un "mare" di neutrini e fotoni
Luca Fiorani – Chimica e didattica della chimica
L’evoluzione dell’universo
In realtà, tra 100 s (3×109 K) e 200 s (109 K) si formarono anche nuclei più pesanti (nucleosintesi primordiale): litio (3 p e 4 n) e boro (5 p e 6 n)
Dopo 30 minuti (3×108 K) la materia era ancora densa (10 volte l'acqua)
Dopo 300 mila anni (4000 K) si formarono gli atomi di idrogeno ed elio
Soltanto dopo qualche miliardo di anni si sono iniziate a formare le prime stelle e i primi pianeti
Gli elementi fino al ferro si sono formati nelle stelle (nucleosintesi stellare), quelli fino all'uranio nelle supernovae dai cui resti si sono formate le stelle di seconda generazione
Luca Fiorani – Chimica e didattica della chimica
L’evoluzione dell’universo
Piccole quantità di alcune semplici molecole si formarono già nell'universo primordiale:
monossido di carbonio CO acido cianidrico HCN metanolo CH3OH etanolo C2H3OH ammonica NH3
formammide HCONH2
acqua H2O C'erano anche polveri:
silicati, carbonati, fuliggine, diamante, ghiaccio
Luca Fiorani – Chimica e didattica della chimica
L’evoluzione dell’Universo
Un bellissiomo graficoche mostra in alto quanto tempo è passato dallo scoppio del Big Bang e in basso la temperatura. Nel mezzo è disegnata lamateria chesi formava. L’uomo compare dopo 15 miliardi di anni
Luca Fiorani – Chimica e didattica della chimica
Le 5 W dell’avventura dell’universo
Resta una sola risposta da dare per soddisfare la regola delle 5 W e raccontare in maniera completa l’avventura della nascita dell’universo
WHY?
Ma qui ci fermiamo e rimandiamo ad altri corsi…
Luca Fiorani – Chimica e didattica della chimica
Origine ed evoluzione della Terra
Immaginiamo di paragonare la sua età (4.5 miliardi di anni) ad un anno terrestre: così facendo, ogni giorno di questo calendario corrisponde a 12.328.767 anni reali. In pratica la Terra nasce il 1 gennaio, mentre adesso è la mezzanotte del 31 dicembre
Luca Fiorani – Chimica e didattica della chimica
Atmosfera: un miscuglio di gas composto da metano, idrogeno, azoto, vapore acqueo ed anidride carbonica
Gennaio (da -4500 a -4117 milioni di anni)
Intanto è passato un mese, siamo al 31 gennaio ed il lento processo di formazione della terra è appena all'inizio ...
Contrazione: Le particelle di ferro e silicio si uniscono a polveri, gas e ghiaccio
Differenziazione: gli elementi pesanti cadono verso il centro, gli elementi più leggeri rimangono in superficie
Nascita del sistema solare
Luca Fiorani – Chimica e didattica della chimica
Febbraio (da –4117 a –3772 milioni di anni)
Il 28 febbraio succede un fatto inatteso ed incredibile… nasce la vita sulla terra!
Esperimento di Miller-Urey
Luca Fiorani – Chimica e didattica della chimica
Marzo (da -3772 a –3390 milioni di anni)
Fra le molecole che si sono create, ce ne sono alcune molto particolari perché si uniscono a formare i coacervati
Successivamente compaiono i primi organismi capaci di fotosintesi, procarioti anaerobi fotosintetici, le prime alghe
Grazie alla fotosintesi delle alghe inizia a formarsi un'atmosfera in cui è finalmente presente anche l'ossigeno
Nascono i primi organismi viventi
Luca Fiorani – Chimica e didattica della chimica
Marzo (da -3772 a –3390 milioni di anni)
Deriva dei continenti… continuerà a far cambiare fisionomia al nostro pianeta fino a oggi
Luca Fiorani – Chimica e didattica della chimica
Aprile (da -3390 a -3020 milioni di anni)
La terra che i fiumi hanno strappato dai continenti è trasportata fino agli oceani, dove è sedimentata. Lo strato di questi sedimenti cresce, pesa e sprofonda fino a solidificarsi: si formano le rocce.
Le alghe si danno un gran da fare per arricchire l'atmosfera di ossigeno. I batteri e le alghe sono ancora per molto tempo gli unici abitatori della Terra.
Luca Fiorani – Chimica e didattica della chimica
Maggio (da -3020 a -2638 milioni di anni)
Catene montuose: prodotte dallo scontro delle regioni della crosta terrestre che si muovono grazie alle forze che provengono dal mantello
Queste orogenesi saranno sempre presenti durante tutta la vita della Terra, come i fenomeni di deriva dei continenti che le provocano
Luca Fiorani – Chimica e didattica della chimica
Giugno (da -2638 a -2268 milioni di anni)
Il pianeta Terra continua nella sua lenta ed inesauribile evoluzione:
1. aumenta il numero dei vulcani
2. aumenta il numero delle specie viventi
3. l'atmosfera cambia la sua composizione arricchendosi sempre di più in ossigeno
4. gli oceani diventano sempre più pieni di acqua salata
Luca Fiorani – Chimica e didattica della chimica
Luglio (da –2268 a –1886 milioni di anni)
L’atmosfera è ora simile alla nostra per quanto riguarda la concentrazione di azoto (80%); l’ossigeno ancora non è al suo massimo, ma è sempre più presente:
1. scomparsa di batteri anaerobi
2. adattamento al nuovo ambiente (archeobatteri anaerobi e batteri aerobi fotosintetici)
Luca Fiorani – Chimica e didattica della chimica
L'atmosfera è prevalentemente costituita da: 78% Azoto (N2) 20% Ossigeno (O2) 2 % Argon (Ar), anidride carbonica (CO2) ed elementi vari che cambiano da regione a regione in modo quasi casuale
Il 21 agosto comincia a formarsi lo strato di Ozono (O3)
Agosto (da -1886 a -1504 milioni di anni)
AtmosferaEh si..., a quei tempi si respirava aria buona, mica come oggi, con tutti questi tubi di scappamento e ciminiere varie!
Luca Fiorani – Chimica e didattica della chimica
Agosto (da -1886 a -1504 milioni di anni) Quanto è spessa l'atmosfera e dove comincia lo spazio siderale?L'atmosfera viene suddivisa in quattro strati chiamati SFERE in base all'andamento della temperatura con la quota:
• TROPOSFERA
• STRATOSFERA
• MESOSFERA
• TERMOSFERA
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Settembre (da -1504 a -1134 milioni di anni)
L'evoluzione della Terra continua lentamente…
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Ottobre (da -1134 a -752 milioni di anni)
Compaiono le prime colonie di organismi unicellulari, come ad esempio i Volvox, e con esse, la differenziazione cellulare
Il 10 ottobre compaiono le prime cellule eucariote
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Novembre (da –752 a –382 milioni di anni)
17 Novembre (540 milioni di anni fa) nascono i trilobiti
27 Novembre si formano i primi scheletri e il primo pesce
28 Novembre nascono i primi anfibi
Eccoci al mese dove la vita sulla Terra subisce un'impennata clamorosa e spettacolare...
Luca Fiorani – Chimica e didattica della chimica
Dicembre (da –752 a –382 milioni di anni)
2 Dicembre: durante il Carbonifero compaiono le prime foreste di felci e conifere, che daranno origine agli enormi giacimenti di carbone
31 Dicembre: si sviluppa l’uomo
31 Dicembre (gli ultimi 10 minuti di evoluzione): nella savana africana gli Homo sapiens sapiens si sono ben evoluti
13 Dicembre: il primo dinosauro
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Il Pianeta Terra
Il Pianeta Terra come oggi lo conosciamo, con la sua struttura geologica, la sua flora e fauna e i suoi abitanti è il risultato di una lenta evoluzione ancora in atto…
Luca Fiorani – Chimica e didattica della chimica
Risorse RINNOVABILI naturalmente in tempi ridotti, purché utilizzate in maniera accurata; esse corrispondono ai suoli agricoli, ai pascoli, alle foreste e alle cosiddette fonti rinnovabili, ovvero l'energia derivante da sole, vento, correnti marine, maree, salti d’acqua…
Le risorse del pianeta TerraRisorse NON RINNOVABILI, sia per l'impossibilità a rigenerarsi, sia per il lungo tempo necessario a ciò; in esse sono compresi tutti i minerali e i combustibili fossili…
Luca Fiorani – Chimica e didattica della chimica
Carboni fossili
Le risorse NON RINNOVABILI
Il carbone che si estrae oggi si è formato centinaia di milioni di anni fa nelle paludi preistoriche (345 – 280 milioni di anni fa)
Luca Fiorani – Chimica e didattica della chimica
Gas naturale
Petrolio
Le risorse NON RINNOVABILIPetrolio e gas naturaleIl petrolio e il gas naturale hanno avuto origine negli oceani preistorici (30 – 180 milioni di anni fa)
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Le risorse NON RINNOVABILIEnergia nucleareNelle reazioni di fissione nuclei di atomi pesanti (uranio, plutonio e torio) si spezzano producendo nuclei con numero atomico minore, diminuendo la propria massa totale e liberando una grande quantità di energia.VIDEO: La radioattività
Luca Fiorani – Chimica e didattica della chimica
Le risorse RINNOVABILIEnergia solare
Il Sole invia sulla Terra una grande quantità di energia. L’energia consente la vita sulla Terra (ciclo dell’acqua, venti, movimento delle masse d’acqua, fotosintesi).
Luca Fiorani – Chimica e didattica della chimica
Le risorse RINNOVABILI
L’energia dell’acqua
L’acqua è una delle risorse più abbondanti sulla Terra. La sua energia deriva dal Sole.
L’energia del vento
Gli antichi mulini a vento si sono oggi trasformati nelle cosiddette turbine eoliche in grado di produrre direttamente energia elettrica
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Le risorse RINNOVABILICalore interno della Terra
Nel sottosuolo, è presente acqua riscaldata dal magma, con opportune perforazioni essa viene raggiunta e il vapore viene inviato alla turbina, collegata all’alternatore che produce energia elettrica
All’interno della Terra è contenuta una quantità enorme di calore, ma esso può essere sfruttato solo in quelle zone dove si trovano rocce calde, cioè nelle zone vulcaniche
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Le risorse RINNOVABILI
Energia delle biomasseLe biomasse sono tutti i materiali organici che possono essere trasformati in combustibili
L’energia contenuta in questi materiali deriva dall’energia solare (fotosintesi). Questa energia proviene anche dagli scarti dell’agricoltura e dell’allevamento degli animali sottoposti a particolari processi che li trasformano in combustibili solidi, liquidi e gassosi, utilizzabili per la produzione di calore o di elettricità (ad es. con la fermentazione biologica).
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Fine della lezione…