Perché Venere e Mercurio hanno un ciclo di fasi come la Luna, mentre gli altri pianeti del sistema solare no?
La spiegazione ha a che fare con il fatto che le orbite di Mercurio e Venere sono interne a quella della Terra
Osservati dalla Terra con un telescopio, due pianeti del sistema solare, Mercurio e Venere, mostrano delle fasi analoghe a quelle della Luna. Gli altri pianeti — Marte, Giove, Saturno, Urano e Nettuno — appaiono invece sempre come dischi completamente illuminati dal Sole (con una lieve eccezione per Marte), senza fasi crescenti o calanti. Come mai? Qual è l’origine di tale differenza?
La spiegazione ha a che fare con la posizione di ciascun pianeta rispetto alla Terra e al Sole. Affinché un pianeta ci appaia diversamente illuminato dal Sole nell’arco del tempo, cioè affinché mostri delle fasi, deve percorrere un’orbita interna a quella della Terra. Gli unici due pianeti che hanno questa proprietà sono appunto Mercurio e Venere, entrambi più vicini al Sole rispetto al nostro pianeta.
Così, per via delle loro orbite interne a quella terrestre, possiamo osservare Mercurio e Venere in una varietà di condizioni di illuminazione differenti mentre orbitano intorno al Sole. I due pianeti attraversano in generale le medesime fasi che caratterizzano il ciclo lunare, anche se, a causa della loro vicinanza al Sole e della geometria delle loro orbite, non possiamo vederli dalla Terra per l’intera durata del loro anno.
Quando Mercurio e Venere si trovano esattamente interposti tra il nostro pianeta e il Sole, rivolgono verso di noi solo l’emisfero non illuminato. È la cosiddetta congiunzione inferiore, analoga alla fase della Luna nuova. Al punto opposto della loro orbita, cioè quando il Sole si trova in mezzo tra la Terra e Venere o tra la Terra e Mercurio, i due pianeti rivolgono verso la Terra l’emisfero illuminato dal Sole: è la cosiddetta congiunzione superiore, in cui la loro fase corrisponde a quella della Luna piena.
Una differenza geometrica con le fasi lunari si ha nel primo quarto e nell’ultimo quarto. Queste due fasi della Luna corrispondono ai punti dell’orbita lunare in cui il nostro satellite si trova in quadratura con la Terra, cioè in posizione tale che Luna, Terra e Sole formano un angolo di 90° con la Terra nel vertice. Quando la Luna è in quadratura, dalla Terra vediamo metà dell’emisfero lunare illuminato dal Sole, cioè appunto un quarto di Luna. Ma questa configurazione è possibile solo perché la Luna orbita intorno alla Terra. Pianeti, invece, con orbite interne a quella terrestre come Mercurio e Venere non possono mai raggiungere la posizione di quadratura.
Per tale ragione geometrica, le fasi in cui dalla Terra vediamo un quarto di Venere o un quarto di Mercurio corrispondono a due posizioni orbitali diverse dalla quadratura: la massima elongazione occidentale e la massima elongazione orientale. Sono i punti dell’orbita dei due pianeti toccati dalla tangente che passa per il centro della Terra. Corrispondono alla massima distanza angolare possibile, osservata dalla superficie terrestre, tra Mercurio e il Sole e tra Venere e il Sole. A causa del fatto, poi, che le orbite dei pianeti sono ellissi e non cerchi perfetti, la massima elongazione (occidentale e orientale) assume ampiezze variabili: nel caso di Mercurio varia tra un minimo di 18° e un massimo di 28°, mentre per Venere varia tra un minimo di 45° e un massimo di 48°.
L’orbita terrestre è una sorta di confine geometrico all’interno del sistema solare, che divide i pianeti inferiori, Venere e Mercurio, che hanno orbite interne a quella della Terra, dai cosiddetti pianeti superiori, Marte, Giove, Saturno, Urano e Nettuno, che seguono orbite esterne a quella terrestre.
I pianeti superiori, a differenza di quelli inferiori, possono raggiungere una posizione di quadratura (occidentale o orientale) con la Terra, cioè possono formare un angolo di 90° con la Terra e il Sole. Tuttavia, visti dalla Terra, quando sono in quadratura non mostrano le fasi del primo quarto e dell’ultimo quarto, come accade invece per la Luna. Non è possibile, cioè, vedere Marte, Giove ecc. con metà dell’emisfero rivolto verso di noi illuminato dal Sole e l’altra metà al buio. Ciò per una semplice ragione geometrica: Marte e gli altri pianeti superiori del sistema solare orbitano intorno al Sole, non intorno alla Terra come la Luna, e inoltre raggiungono la quadratura a una distanza dalla Terra molto maggiore di quella della Luna.
In conseguenza di ciò, i pianeti esterni, quando sono in quadratura, sono colpiti da raggi solari non paralleli a quelli che illuminano la Terra, cosicché il loro emisfero illuminato ci appare rivolto quasi interamente verso di noi. Nel caso della Luna, invece, che è vicinissima al nostro pianeta e gli orbita intorno, la quadratura corrisponde a una posizione orbitale in cui i raggi solari che colpiscono il nostro satellite sono pressoché paralleli a quelli diretti verso la Terra: ecco perché alla quadratura corrisponde la fase del quarto di Luna, in cui solo mezzo emisfero lunare è illuminato.
In linea generale, dunque, i pianeti superiori, quando sono visibili dalla Terra, mostrano al telescopio un emisfero pienamente illuminato dal Sole. L’unica eccezione si ha nella posizione di quadratura, ma riguarda solo Marte e, in minima misura, Giove. Quando, infatti, un pianeta superiore è in una delle due quadrature con la Terra, si trova nei soli due punti della sua orbita in cui, per via dell’angolo formato con la Terra e il Sole, una piccola o piccolissima porzione dell’emisfero rivolto verso la Terra non è illuminata dal Sole. Ma la dimensione angolare di tale porzione diminuisce in funzione della distanza del pianeta dalla Terra, per cui un effetto chiaramente distinguibile dalla superficie terrestre si ha solo nel caso di Marte, che è il pianeta superiore a noi più vicino.
Quando infatti Marte si trova in quadratura con la Terra, la percentuale dell’emisfero rivolto verso di noi che rimane non illuminata dal Sole varia più o meno tra il 10% e il 15%. La differenza dipende dal fatto che l’orbita di Marte è piuttosto eccentrica, per cui l’angolo formato con il Sole quando il pianeta è in quadratura varia a seconda della parte di orbita che Marte sta percorrendo in quel momento. In ogni caso, le immagini del pianeta ottenute all’epoca della quadratura mostrano una piccola fase e la sua superficie appare chiaramente gibbosa.
Nel caso di Giove, che dista circa 5,2 unità astronomiche dal Sole e poco meno dalla Terra quando si trova in quadratura, la porzione di emisfero visibile dal nostro pianeta che rimane non illuminata dal Sole all’epoca della quadratura è meno dell’1%. Così poco che l’unico effetto visibile dalla Terra è un lieve oscuramento del bordo planetario dal lato interessato dal fenomeno.
Infine, per quanto riguarda Saturno, Urano e Nettuno, la loro distanza dalla Terra è così grande che, anche quando si trovano in quadratura con il nostro pianeta, non c’è nessuna riduzione visibile della luminosità totale del loro disco.
Resta un’ultima curiosità a cui rispondere: come mai per i pianeti superiori la quadratura è la posizione orbitale in cui c’è la percentuale più alta di superficie non illuminata dal Sole nell’emisfero visibile dalla Terra? Come mai non hanno una fase analoga alla luna nuova?
La risposta ha a che fare, ancora una volta, con le relazioni geometriche tra le orbite dei pianeti. Sia i pianeti inferiori sia quelli superiori possono raggiungere la congiunzione superiore, cioè la posizione orbitale in cui si trovano allineati con la Terra, ma dalla parte opposta del Sole. Alla congiunzione superiore, tutti i pianeti rivolgono verso la Terra l’emisfero illuminato dal Sole. La congiunzione inferiore, invece, in cui l’emisfero rivolto verso la Terra è completamente al buio, può essere raggiunta solo dai pianeti inferiori Venere e Mercurio: gli unici che possono trovarsi interposti tra la Terra e il Sole.
Per i pianeti superiori, invece della congiunzione inferiore, c’è l’opposizione, cioè il punto dell’orbita in cui sono sì allineati con la Terra e il Sole, ma è la Terra a trovarsi in mezzo tra i due corpi (mancando una congiunzione inferiore, è pertanto inutile indicare come “superiore” l’unica congiunzione possibile nel corso delle loro orbite).
A causa di questa configurazione geometrica con la Terra in mezzo, un pianeta che si trova all’opposizione appare, visto dalla Terra, completamente illuminato dal Sole. Non solo: si trova anche in quel momento alla minore distanza possibile dal nostro pianeta nonché rivolto verso l’emisfero terrestre in cui è notte: le condizioni ideali per la migliore osservazione telescopica possibile.
