Tesi sulla navigazione astronomica

Università degli Studi di Napoli

“Federico II”

Scuola Politecnica e delle Scienze di Base

Dipartimento di Ingegneria Industriale

TESI DI LAUREA

In

CARTOGRAPHY AND NAVIGATION

Concetti Operativi Essenziali Sulla Navigazione Astronomica

Essential Operational Concepts of Celestial Navigation

Relatore: Candidato:-

Correlatore:

Anno Accademico 2025 / 2026

INDICE Pag.

INTRODUZIONE I

CAPITOLO I....................................................................................................................11

LATITUDINE DI GIORNO CON IL SOLE E DIREZIONE NORD-SUD...............11

1.1 Il problema operativo........................................................................11

1.2 Altezza, zenit e distanza zenitale.......................................................14

1.2.1 L'altezza osservata............................................................................................ 14

1.2.2 Lo zenit............................................................................................................. 15

1.2.3 La distanza zenitale........................................................................................... 16

1.2.4 Perché la distanza zenitale è importante...........................................................17

1.3 Culminazione e meridiano locale........................................................18

1.3.1 Che cos'è la culminazione.................................................................................19

1.3.2 Il concetto di meridiano locale...........................................................................20

1.3.3 Il mezzogiorno locale......................................................................................... 21

1.3.4 Come individuare la culminazione.....................................................................22

1.3.5 Perché la culminazione è il momento ideale......................................................23

1.4 La declinazione come latitudine dell'astro..........................................24

1.4.1 La sfera celeste................................................................................................. 25

1.4.2 L'equatore celeste............................................................................................. 26

1.4.3 Definizione operativa di declinazione................................................................26

1.4.4 Il punto subsolare.............................................................................................. 27

1.5 Un metodo grafico semplificato per stimare la declinazione................27

1.5.1 Il Sole come calendario astronomico.................................................................28

1.5.2 Il moto annuale del punto subsolare.................................................................29

1.5.3 Perché una stima lineare non è sufficiente........................................................29

1.5.4 Il metodo del quarto di cerchio..........................................................................30

1.5.5 Esempio pratico................................................................................................ 31

1.5.6 Accuratezza e limiti del metodo........................................................................32

1.6 Calcolo della latitudine......................................................................32

1.6.1 Il significato geografico della distanza zenitale................................................33

1.6.2 Un caso ideale................................................................................................... 34

2

1.6.3 Quando il Sole non si trova sull'equatore..........................................................34

1.6.4 Stabilire da quale parte del Sole ci troviamo.....................................................35

1.6.5 Procedura operativa.......................................................................................... 35

1.6.6 Esempio applicativo.......................................................................................... 36

1.6.7 Verifica di plausibilità........................................................................................36

1.7 Direzione Nord-Sud...........................................................................37

1.7.1 Utilizzo delle ombre........................................................................................... 37

1.7.2 Applicazioni pratiche......................................................................................... 38

1.7.3 Considerazioni finali.......................................................................................... 39

CAPITOLO II..................................................................................................................40

LONGITUDINE DI GIORNO CON IL SOLE E OROLOGIO ZULU......................40

2.1 La longitudine come problema di tempo.............................................40

2.2 La relazione fondamentale: 360 gradi in 24 ore..................................43

2.3 Mezzogiorno locale e confronto con Greenwich...................................45

2.4 Est e Ovest.......................................................................................47

2.5 La correzione dell'equazione del tempo..............................................49

2.6 Il ruolo dell'orologio Zulu...................................................................52

2.7 Movimento dell'osservatore...............................................................54

2.8 Considerazioni finali..........................................................................55

CAPITOLO III.................................................................................................................57

LATITUDINE DI NOTTE CON LE STELLE.............................................................57

3.1 Dal Sole alle stelle............................................................................57

3.2 Declinazione stellare e distanza dallo zenit........................................59

3.3 Il caso delle stelle equatoriali e Orione...............................................62

3.4 La Stella Polare come caso speciale...................................................64

3.5 Osservabilità e scelta dell'astro.........................................................66

3.6 Procedura operativa..........................................................................67

CAPITOLO IV.................................................................................................................70

LONGITUDINE DI NOTTE CON LE STELLE..........................................................70

4.1 Il problema specifico della longitudine notturna.................................70

3

4.2 Giorno solare e giorno siderale..........................................................72

4.3 Prevedere il transito di una stella......................................................74

4.4 Esempio con Vega.............................................................................76

4.5 Metodo necessariamente sincronizzato..............................................79

4.6 Il limite della precisione....................................................................80

4.7 Procedura operativa sintetica............................................................82

4.8 Come ricavare informazioni sulle stelle..............................................83

CAPITOLO V...................................................................................................................85

CARTA DEL CIELO: RICONOSCERE LE STELLE E RICAVARE LE

COORDINATE DEGLI ASTRI.....................................................................................85

5.1 La carta del cielo come ponte tra osservazione e calcolo.....................85

5.2 Sfera celeste e rappresentazioni piane...............................................86

5.3 Equatore celeste, poli e declinazione.................................................88

5.4 L'alidada e la misura sulla carta.........................................................90

5.5 Le costellazioni principali per l'emisfero Nord.....................................92

5.6 Guardare verso Nord e guardare verso Sud........................................93

5.7 Il cielo come orologio........................................................................94

5.8 Emisfero Sud....................................................................................96

5.9 Capire e prevedere quali astri sono osservabili...................................97

CAPITOLO VI.................................................................................................................99

ECLITTICA E COSTELLAZIONI PER LA SCELTA DEGLI ASTRI.....................99

OSSERVABILI.................................................................................................................99

6.1 Perché l'eclittica viene dopo la longitudine notturna...........................99

6.2 Il percorso apparente del Sole.........................................................100

6.3 Il cielo notturno cambia con le stagioni............................................101

6.4 Il Sole come ostacolo.......................................................................104

6.5 Eclittica e Via Lattea........................................................................105

6.6 L'astrolabio come modello e come limite..........................................106

4

6.7 Dall'astrolabio alla carta di sopravvivenza........................................109

6.8 Latitudine e longitudine: due usi diversi delle stesse stelle...............111

CAPITOLO VII..............................................................................................................113

ESERCITAZIONE: OSSERVABILITÀ DEL CIGNO E CALCOLO DELLA

LATITUDINE CON DENEB........................................................................................113

7.1 Scopo dell'esercitazione..................................................................113

7.2 Perché il Cigno è complementare a Orione........................................115

7.3 Dati dell'esercizio............................................................................116

7.4 Calcolo della distanza zenitale.........................................................118

7.5 Sommare o sottrarre.......................................................................120

7.6 Risultato.........................................................................................122

7.7 Osservabilità stagionale di Deneb....................................................123

7.8 Collegamento con Polare e Orione....................................................124

CAPITOLO VII.............................................................................................................126

ESERCITAZIONE DI GIORNO: CALCOLO DELLA POSIZIONE CON IL SOLE

..........................................................................................................................................126

8.1 Scopo dell'esercitazione..................................................................126

8.2 Dati necessari.................................................................................127

8.3 Primo scenario: mare aperto............................................................129

8.4 Secondo scenario: zona montagnosa innevata..................................132

8.5 Filo a piombo e orizzonte artificiale..................................................135

8.6 Coerenza geografica e comunicazione del risultato...........................137

8.7 Il grande limite dei sistemi finora esposti.........................................139

8.8 Way ahead......................................................................................141

CAPITOLO IX...............................................................................................................143

ESERCITAZIONE DI NOTTE: POSIZIONE SENZA ATTENDERE IL

PASSAGGIO AL MERIDIANO...................................................................................143

9.1 Dal meridiano al cerchio di posizione...............................................143

5

9.2 Dati dell'esercitazione.....................................................................144

9.3 Il punto substellare.........................................................................146

9.4 Posizione del Sole in termini di longitudine......................................148

9.5 Posizione delle due stelle in termini di longitudine (ascensione retta)

............................................................................................................ 151

9.6 Cerchi di posizione e intersezione....................................................153

9.7 L'angolo di intersezione...................................................................156

9.8 Il problema della geometria sferica..................................................158

CAPITOLO X................................................................................................................161

Astrofix analogico: riportare il fix nel cielo.............................................161

10.1 Il punto di arrivo della tesi.............................................................161

10.2 Un cambio di prospettiva...............................................................163

10.3 Il principio dell'Astrofix..................................................................164

10.4 Latitudine e longitudine.................................................................165

10.5 Strumentazione necessaria............................................................167

10.6 Limiti e precisione.........................................................................169

10.7 Possibile utilizzo diurno.................................................................170

10.8 L'Astrofix come strumento di resilienza..........................................171

CONCLUSIONI............................................................................................................173

BIBLIOGRAFIA............................................................................................................175

SITOGRAFIA................................................................................................................176

APPENDICE A – DECLINAZIONE DEL SOLE ED EQUAZIONE DEL TEMPO

..........................................................................................................................................177

APPENDICE B – COSTELLAZIONI DI RIFERIMENTO......................................178

APPENDICE C – STRUMENTI ANGOLARI DI FORTUNA.................................179

APPENDICE D – PROCEDURA PRELIMINARE DI UTILIZZO

DELL'ASTROFIX.........................................................................................................180

6

APPENDICE E – SPECIFICHE CONCETTUALI DELL'ASTROFIX

ANALOGICO.................................................................................................................181

INDICE DELLE FIGURE

Figura 1 - Relazione geometrica tra orizzonte locale, zenit, altezza osservata e distanza

zenitale.

Figura 2 - Altezza osservata e distanza zenitale sulla sfera celeste locale.

Figura 3 - Culminazione del Sole sul meridiano locale.

Figura 4 – Equinozi, solstizi e inclinazione dell'asse terrestre.

Figura 5 – Schema del quarto di cerchio per la stima grafica della declinazione del Sole

tra equinozi e solstizi.

Figura 6 – Individuazione della direttrice Nord-Sud mediante il passaggio del Sole al

meridiano locale.

Figura 7 – Variazione della lunghezza e della direzione dell'ombra di uno gnomone nel

corso della giornata.

Figura 8 – Costellazione di Orione su carta celeste, utilizzata come riferimento

equatoriale per gli esercizi di navigazione astronomica.

Figura 9 – Ricerca della Stella Polare a partire dalle stelle puntatrici dell'Orsa Maggiore.

Figura 10 – Relazione tra altezza osservata e distanza zenitale.

Figura 11 – Origine dello scarto tra giorno solare e giorno siderale dovuto al moto di

rivoluzione terrestre.

Figura 12 – Misura della distanza angolare tra Sole e Vega su carta celeste.

Figura 13 – Proiezione azimutale polare equidistante della Terra.

Figura 14 – Astrolabio moderno basato su carta celeste polare.

Figura 15 – Determinazione della declinazione di Sirio mediante alidada. 7

Figura 16 – Posizione relativa di Orione e del Sole all'inizio di maggio.

Figura 17 – Cigno e Orsa Maggiore all'interno del cerchio dell'eclittica.

Figura 18 – Confronto tra due astrolabi moderni per 42° N.

Figura 19 – Posizione di Deneb rispetto all'eclittica.

Figura 20 – Deneb al passaggio sul meridiano locale.

Figura 21 – Determinazione della declinazione di Deneb.

Figura 22 – Culminazione di Deneb in prossimità dello zenit.

Figura 23 – Sole al meridiano locale in mare aperto.

Figura 24 – Sole al meridiano locale in ambiente montano.

Figura 25 – Confronto tra proiezione di Lambert e di Mercatore.

Figura 26 – Proiezioni azimutali polari equidistanti.

Figura 27 – Individuazione di Deneb e Alkaid.

Figura 28 – Determinazione della declinazione di Alkaid e Deneb.

Figura 29 – Lettura dell’equazione del tempo sull’US Air Almanac.

Figura 30 – Misura della distanza angolare tramite Ascensione Retta.

Figura 31 – Determinazione delle coordinate astronomiche su carta celeste.

Figura 32 – Determinazione grafica della posizione con il metodo Astrofix.

Figura 33 – Sfera celeste di riferimento per il metodo Astrofix 8

INTRODUZIONE

La navigazione moderna si fonda quasi interamente su sistemi elettronici in grado

di fornire informazioni di posizione con livelli di precisione impensabili fino a

pochi decenni fa. Sistemi satellitari, piattaforme inerziali e strumenti digitali

hanno progressivamente sostituito i metodi tradizionali di orientamento, relegando

la navigazione astronomica a un ruolo prevalentemente storico o specialistico.

Nonostante ciò, il Sole, le stelle e la sfera celeste continuano a rappresentare

riferimenti naturali sempre disponibili. La loro osservazione permette infatti di

ricavare informazioni geografiche mediante principi geometrici e astronomici che

rimangono validi indipendentemente dalla disponibilità di infrastrutture

tecnologiche.

La navigazione astronomica possie