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Il Sole: dal disordine all’ordine

Come l’energia della nostra stella influenza il pianeta dove abitiamo.

di Luca Longo
31 agosto 2020
5 min di lettura
diLuca Longo
31 agosto 2020
5 min di lettura

La buona notizia è che l’energia si conserva, quella cattiva è che il disordine aumenta.
Cosa c’entra la stella del Sistema Solare?

Ordine e disordine: due concetti apparentemente astratti. Anzi, un solo concetto, perché l’uno si pone come il contrario dell’altro. Eppure, scavando scopriamo che c’è sotto qualcosa di molto concreto: ciò che guida l’intero Universo.

Se l’energia è il suo motore, l’ordine –o meglio, il passaggio tra ordine a disordine e viceversa– rappresenta il volante e il pedale dell’acceleratore dell’Universo e delle sue trasformazioni.

Su energia e disordine si basano due dei principi su cui si fonda tutto il sapere scientifico: il primo e il secondo principio della termodinamica.

L’uno afferma che l’energia di un sistema si conserva sempre. Ad esempio, nella nostra auto l’energia immagazzinata nei legami chimici del carburante si trasforma in calore. Questo diventa energia meccanica che fa girare le ruote della vettura e si trasforma di nuovo in calore, per poi disperdersi.

Questione di entropia

Se dunque l’energia si conserva, perché una volta bruciato il carburante non possiamo più farci niente? A questa domanda risponde il secondo principio della termodinamica.

L’enunciato è semplice: il grado di disordine di un sistema tende spontaneamente ad aumentare. E non solo: per riportare un po’ di ordine è necessario fornire, cioè spendere, dell’energia.

Per misurare il grado di disordine di un sistema è stata definita una grandezza ad hoc: l’entropia. Più l’entropia di un sistema è elevata, più questo è caotico. Più è bassa, più il sistema è ordinato.

Tutte le trasformazioni tendono ad avvenire spontaneamente, evolvendosi in direzione del massimo disordine.

Per questo, tutte le fonti di energia, siano esse fossili o rinnovabili, nascono dalla possibilità di operare delle trasformazioni da uno stato ordinato a uno più disordinato.

Un mulino ad acqua, o una moderna turbina in un impianto idroelettrico, producono energia perché portano verso il mare la piccola parte d’acqua che si trovava ordinatamente in cima alla montagna. Gli impianti nucleari, le centrali termiche a combustibili fossili o le pale eoliche producono energia perché trasformano quella custodita in modo ordinato, rispettivamente, nel nucleo degli atomi di uranio, nei legami chimici carbonio-carbonio e carbonio-idrogeno dei fossili o nella differenza di pressione fra grandi masse atmosferiche (è il gradiente alta/bassa pressione che provoca il vento), in altre grandezze meno ordinate e dalle quali non si può più ricavare altra energia.

Luce sulla vita

Nonostante questa tendenza verso il disordine, come ha fatto finora il pianeta Terra a resistere alla distruzione e anzi a permettere a tutte le specie che lo abitano di crescere e svilupparsi?

L’evoluzione di piante e animali e anche il progresso del genere umano sono stati possibili perché i sistemi biologici, così come quelli sociali, sono stati mantenuti ordinati e si sono sviluppati in modo organizzato grazie all’energia che proviene dal… Sole!

Le cellule vegetali hanno imparato a sfruttare la sua luce: per catturare l’energia contenuta nei raggi solari, hanno imparato a fare la fotosintesi e a utilizzare materiali fortemente disordinati, come l’anidride carbonica in atmosfera e l’acqua presente nel terreno e nell’aria.

Hanno poi rimontato questi ingredienti per ottenere materiali fortemente ordinati, come gli zuccheri, la cellulosa, la lignina, ma anche i frutti, le foglie o i semi che servono alle piante per riprodursi ed evolversi.

Gli animali erbivori, dal canto loro, hanno scoperto come sfruttare l’ordine immagazzinato dalle piante nutrendosene. Stesso discorso per i carnivori…

L’ordine della Terra

Che fine fa dunque il secondo principio della termodinamica?

In che modo possiamo verificare il grado di disordine del sistema Terra e capire se tende spontaneamente ad aumentare o a diminuire? Occorre fare una precisazione: per sistema intendiamo un insieme chiuso in cui non ci sono scambi di energia con l’esterno.

È vero che sulla Terra tutto l’ecosistema unito combatte l’aumento dell’entropia, cercando di costruire strutture sempre più ordinate, ma se consideriamo un intero sistema chiuso —necessariamente costituito dalla Terra e dal Sole— l’entropia continua a crescere a velocità impressionanti.

Ogni piccolo aumento dell’ordine sulla Terra comporta la trasformazione di una enorme quantità di energia —immagazzinata ordinatamente nell’idrogeno sul Sole— in energia disordinata: raggi solari, elio e altre particelle che si formano durante le reazioni nucleari sul Sole.

Ogni secondo la centrale nucleare a fusione più grande del sistema solare consuma cinque milioni di tonnellate di idrogeno, emettendo in tutte le direzioni onde elettromagnetiche, fra cui anche un pizzico di luce visibile. Di queste, la quasi totalità viene dispersa nello spazio.

Una minuscola quantità fa però eccezione e arriva a colpire la Terra. Tutto ciò che ci circonda nasce e si evolve grazie a questa minuscola frazione e a spese di questo enorme consumo di energia (e aumento di entropia).

Il Sole, dunque, è la garanzia dell’ordine sulla Terra.

Fortunatamente, va avanti così da circa quattro miliardi e mezzo di anni e ha ancora quantità di combustibile nucleare sufficiente per almeno altri quattro miliardi di anni. Per il momento, dunque, non c’è da preoccuparsi.