Esplorazione dei moti terrestri e delle loro conseguenze geografiche

• La superficie della Terra

La forma della Terra

La Terra ha una superficie curva e convessa, che è accumunabile a quella di una sfera. Sarebbe una sfera perfetta se fosse immobile ed omogenea. Il veloce movimento di rotazione invece attorno al proprio asse causa una forza centrifuga che produce sulla Terra una progressiva deformazione, deprimendola ai Poli e gonfiandola lungo il piano equatoriale. Pertanto la sua forma è quella di un ellissoide di rotazione. Il suo asse maggiore è l’asse equatoriale, mentre l’asse minore è identificabile con la distanza tra i due poli, cioè l’asse di polare.

La forma non è esattamente identificabile matematicamente, in quanto la superficie presenta curvature diverse. Pertanto si parla di un solido detto geoide, che ha una superficie equipotenziale: la superficie è perpendicolare in ogni suo punto alla direzione di un filo a piombo. Quindi in tutti i suoi punti non è uguale l’accelerazione di gravità (dato che sono a diverse distanza dal centro). Ma è uguale il lavoro per portare un oggetto da questa superficie ad una distanza infinita.

• Dimensioni della Terra

Misurazioni storiche della Terra

Il primo che tentò di misurare la grandezza della Terra fu Eratostene. Capì che Alessandria e Siene si trovano sullo stesso meridiano e a una distanza di 500 stadi. Il 21 giungo il Sole è perpendicolare a Siene, mentre ad Alessandria forma un angolo con la verticale di ampiezza 1/50 di circonferenza. Questo è lo stesso angolo che ha come lati le verticali di Siene e Alessandria con il centro della Terra e come vertice il centro della Terra stesso. L’arco corrispondente, che è la distanza tra le due città, basta moltiplicaro 50 volte e si ottiene la circonferenza terrestre (circa 250mila stadi  39.375 chilometri).

Nel 1671 il francese Picard ripetè l’esperienza misurando l’arco di meridiano tra Amiens e Parigi. Si è stabilito infine che l’arco di 1° di meridiano non è sempre costante. Il suo valore aumenta dall’Equatore verso i Poli. Ciò conferma lo schiacciamento polare della Terra. Lo dimostrò anche il francese Richer. Un pendolo a Parigi compie un oscillazione completa in un secondo. In un lugo più vicino all’equatore invece l’oscillazione era più lenta. Il periodo di oscillazione è inversamente proporzionale all’accelerazione di gravità. Quindi dove l’accelerazione è più alta il moto è più veloce. Ciò avviene più vicino ai Poli, quindi questi sono per forza più vicini al centro della Terra.

• Coordinate geografiche

Coordinate geografiche e reticolo

Immaginando un piano perpendicolare all’asse terrestre e passante per il centro della Terra, la sfera terrestre si divide in due emisferi: settentrionale (boreale) e meridionale (australe), divisi dalla linea dell’Equatore, che è la circonferenza massima.

L’intersezione tra la superficie terrestre e altri piani perpendicolari all’asse, ma non passanti per il centro sono dei circoli detti paralleli. Hanno sempre stessa ampiezza angolare (360°), ma minore lunghezza man mano che si va dall’Equatore ai Poli (sono 180).

Se invece si taglia la sfera terrestre con piani perpendicolari al piano equatoriale, si hanno tanti circoli tutti uguali passanti per i Poli. Sono i meridiani (sono 360). Di solito però si considera solo la semicirconferenza compresa tra un Polo e l’altro, mentre la parte nella semicirconferenza opposta è un uguale antimeridiano. La rete di meridiani e paralleli forma il reticolo geografico. Esso ci sonsente di determinare la posizione di un punto sulla superficie terrestre. Sono le coordinate geografiche:

-Latitudine: distanza angolare di un punto della superficie con l’Equatore (può essere Nord o Sud e variare tra 0 e 90 gradi). Corrisponde all’ampiezza dell’angolo al centro della Terra che sottende l’arco di meridiano che congiunge il punto con l’Equatore.

-Longitudine: distanza angolare di un punto della superficie con un determinato meridiano (può essere Est o Ovest e variare tra 0 e 180 gradi). Corrisponde all’ampiezza dell’angolo al centro della Terra che sottende l’arco di parallelo che congiunge il punto con il meridiano privilegiato.

• Il moto di rotazione

Il moto di rotazione terrestre

La Terra compie una rotazione da Ovest a Est intorno al proprio asse. La velocità angolare è uguale ad ogni latitudine, tranne che ai Poli dove è nulla. La velocità lineare invece è massima all’Equatore e minima ai Poli. Diminuendo la velocità lineare, diminuisce anche la forza centrifuga, ma parallelamente aumenta l’attrazione gravitazionale. Per via dell’attrito delle maree il moto di rotazione subisce un rallentamento di circa 2millesimi di secondo ogni secolo. La Luna infatti esercita un’azione frenante sulla Terra.

Sono molte le prove che indicano l’esistenza della rotazione terrestre:

1. Apparente spostamento dei corpi celesti da Est verso Ovest. Si potrebbe spiegare questo movimento come dovuto ad un movimento di rotazione in senso contrario dei copri stessi, e che, maggiore la distanza a cui si trovano, maggiore deve essere la velocità lineare per mantenere sempre un moto solidale tra loro. Ma ciò vorrebbe dire che i più lontani raggiungono velocità maggiori di quelle della luce, cosa impossibile. È quindi più facile pensare che sia la Terra a girare su se stessa in senso opposto.

2. Analogia con altri pianeti

3. Esperienza di Guglielmini: Osservando la caduta libera dei corpi, si nota che questi deviano dalla verticale in direzione Est. Questo è spiegabile se si ammette che la Terra ruota in verso Ovest-Est. In questo caso il corpo in questione anche ruota in questa direzione, assumendo la velocità lineare del punto di partenza, mantenendola per inerzia anche durante la caduta. Più lontano è il punto di partenza, maggiore è la sua velocità lineare. Quindi il corpo in caduta viaggia più velocemente rispetto alla superficie, quindi cade più in avanti rispetto alla verticale.

4. Esperienza di Foucault: L’oscillazione di un pendolo avviene su un piano fisso nello spazio. Se si segnao le posizioni che assume in un arco di tempo, sembra che esso si sposti in senso orario ruotando lungo un asse verticale. Ma questo movimento è in realtà dovuto alla rotazione della Terra in senso opposto, che sposta la superficie al di sotto del pendolo. Al polo il piano di oscillazione compie 360° in un giorno (asse di sospensione coincide con asse terrestre). All’equatore invece si avrebbe un’oscillazione di 0°, in quanto la Terra non compie rotazione intorno all’asse equatoriale. La velocità giornaliera dell’apparente rotazione del piano di oscillazione, cioè l’angolo con cui esso si sposta in un giorno si ottiene moltiplicando 360° per il seno della latitudine.

5. Variazione forza di gravità con la latitudine. Più ci si avvicina ai Poli, per via dello schiacciamento, minore è la distanza dal centro della Terra, quindi la forza di gravità è più forte. Ciò dipende anche dal fatto che la forza centrifuga causata dalla rotazione è più bassa man mano che ci si sposta dall’Equatore (infatti essa è direttamente proporzionale alla distanza dall’asse di rotazione)

Le conseguenze del moto di rotazione sono invece:

1.

Conseguenze del moto di rotazione

Spostamento della direzione dei corpi in moto sulla superficie terrestre: è espresso dalla legge di Ferrel. Un corpo viene deviato dalla sua direzione, verso destra se si trova nell’emisfero boreale, verso sinistra se si trova in quello australe. Destra e sinistra ovviamente rispetto al senso di movimento del corpo. Infatti un corpo in moto conserva per inerzia la velocità lineare di rotazione del punto di partenza. Andando verso i Poli, che hanno velocità lineari più basse, il corpo è in anticipo su essi. Spostandosi verso l’equatore invece, la velocità lineare di partenza è minore rispetto a quella dei punti sempre più vicini all’Equatore. Quindi il corpo è in ritardo. Sembra sempre che il corpo si sia spostato per effetto di una forza deviante che è detta forza di Coriolis. Ma è uno spostamento relaitov, perché ciò che davvero si sposta sotto il corpo è la Terra. La forza di Coriolis è quindi una forza apparente. La sua intensità è in relazione diretta con la latitudine.

2. Alternarsi dì e notte: a causa della forma sferica della Terra, i raggi solari illuminano soltanto la parte di superficie rivolta verso il Sole. Data la rotazione, sulla superficie si alternano periodi di illuminazione (dì), con periodi di oscurità (notte). Il loro insieme è il giorno, e indica l’intero tempo di rotazione completa. I due emisferi (luce/oscurità) sono separati non di netto, ma da un circolo di illuminazione, una fascia di una certa ampiezza. Ciò è dovuto alla presenza dell’atmosfera, che devia i raggi solari (si dà il via a fenomeni di rifrazione).

• Il moto di rivoluzione

Il moto di rivoluzione terrestre

La Terra compie un’orbita ellittica intorno al Sole in senso antiorario. La distanza dalla Stella varia in base alla posizione della Terra: si ha la minima distanza in perielio (gennaio) e la massima distanza in afelio (luglio). Per via della II legge di Keplero, durante la rivoluzione la Terra assume velocità diverse: la maggiore è in perielio e la minore in afelio.

L’orbita possiede un’eccentricità, che descrive la sua “schiacciatura”: è il rapporto tra distanza del Sole dal centro dell’ellisse con la lunghezza del semiasse maggiore dell’ellisse stessa. Al momento è di 0,017.

Il sistema Terra-Sole si muove anche intorno ad un baricentro comune, ma dato che il Sole ha massa molto grande, il centro di massa si trova al suo interno, quindi si può considerare che coincide con esso.

Sono molte le prove che dimostrano l’esistenza della rivoluzione:

1. Analogia con gli altri pianeti del sistema solare

2. Periodicità annua di alcuni gruppi di stelle cadenti

3. L’aberrazione della luce proveniente dagli astri. Quando osserviamo una stella, la direzione secono la quale la vediamo non è quell effettiva, a è apparente. Infatti la luce proveniente dall’astro impiega un certo tempo a raggiungerci. Nel frattempo noi ci spostiamo lungo l’orbita. L’angolo compreso tra la direzione vera e quela apparente è l’angolo di aberrazione. Il suo valore massimo è in perielio.

Le conseguenze di questo moto sono invece:

1.

Conseguenze del moto di rivoluzione

Tenendo conto che l’asse terrestre è inclinato di 66° rispetto al piano dell’orbita, e che esso si mantiene costantemente parallelo a se stesso durante tutto il tragitto, si ha durante la rivoluzione una diversa durata del dì e della notte, con una differenza che si fa sempre più sensibile man mano che si va verso i poli. Esistono due date (23settembre e 21 marzo) in cui la durata di dì e notte corrisponde, il Sole ha quindi Zenit nell’equatore terrestre. Sono gli equinozi.

Quando il Sole si trova alle massime elevazioni a Nord e Sud, si hanno i solstizi (21giugno e 21dicembre). I raggi solari sono perpendicolari a due paralleli: Tropico del Cancro (23°latidudine nord, estate) e Tropico del Capricorno (23°latitudine sud, inverno). In questi casi il circolo di illuminazione è tangente a due paralleli che si trovano a 66°: Circolo polare artico e Circolo polare antartico.

La linea che, passando per il centro del Sole, unisce i due punti dell’orbita in cui il Sole è allo Zenit sull’Equatore è la linea degli equinozi.

Ad essa perpendicolare, la linea che, passan passando per il centro del Sole, unisce i due punti dell’orbita in cui il Sole è allo Zenit nei Tropici è la linea dei solstizi. Essa non coincide con la linea degli apsidi.

Il periodo che intercorre tra due di questi quattro momenti fondamentali costituisce l’alternarsi delle stagioni. Queste stagioni astronomiche non coincidono del tutto con le stagioni metereologiche, che sono influenzate da altri fattori.

I due tropici e i due circoli polari dividono la superficie terrestre in cinque parti caratterizzate da condizioni diverse di riscaldamento, chiamate zone astronomiche:

1. Zona torrida (tra i due tropici): all’equatore dì e notte hanno sempre stessa durata, per il resto la differenza si limita a 13 e 10 ore. Riscaldamento sempre molto forte.

2. Zone temperate (tra un tropico e un circolo polare): il Sole non è mai allo Zenit e i raggi sempre obliqui, dì e notte sempre differenze che aumentano con la latitudine a avvicinandosi ai giorni solstiziali. Il riscaldamento varia durante l’anno e si ha una netta distinzione delle stagioni.

3. Zone polari (oltre i circoli polari): raggi del sole sempre obliqui oppure non colpiscono affatto la superficie. Il dì e la notte hanno durata di 6mesi ciascuno. Fenomeni come le aurore polari.

• Moti millenari

1.

Moti millenari della Terra

Moto doppio-conico dell’asse terrestre: Sul lungo periodo, l’asse terrestre non si mantiene sempre parallelo a se stesso nel corso della rivoluzione. L’attrazione combinata di Sole e Luna è esercitata sul rigonfiamento equatoriale in modo più sensibile rispetto al resto della superficie terrestre, facendo così coincidere il piano equatoriale con il piano dell’orbita. A ciò si oppone la rapida rotazione della terra, che tende a mantenere immutata la posizione dell’asse.

Queste due forze, composte, causano un movimento che fa descrivere all’asse terrestre due coni con il vertice al centro della Terra. Questo moto, di precessione luni-solare, avviene in senso contrario a quello di rotazione terrestre e si compie in 26mila anni. Quindi il prolungamento ideale dell’asse non va a cadere sempre sulla stessa stella (stella polare). Dopo metà del giro si avrà Vega.

L’azione attrativa Luna-Sole varia in base alle loro distanze dalla Terra. Quindi si verificano delle perturbazioni, le nutazioni: l’asse terrestre si muove secondo coni leggermente ondulati

2. Precessione degli equinozi e lo spostamento della linea degli absidi: il continuo movimento dell’asse terrestre comporta uno spostamento nello spazio del piano equatoriale, ad essa perpendicolare. Quindi varia anche l’intersezione di esso con il piano dell’eclittica, quindi si sposta la linea degli equinozi, in senso orario. Ciò avviene anche per la linea dei solstizi. Equinozi e solstizi anticipano la loro posizione sull’eclittica, nel senso contrario all’apparente moto solare. Si ha la precessione degli equinozi.

La linea equinoziale dovrebbe tornare al suo posto in 26mila anni. Ma l’orbita terrestre non è immobile nello spazio, anzi (per via dell’attrazione di altri corpi celesti) il suo asse maggiore, o linea degli apsidi, si muove in senso antiorario, andando in contro alla linea degli equinozi. Un giro completo lo compie in 117mila anni. È lo spostamento della linea degli apsidi. Combinandosi con la precessione degli equinozi, abbrevia il periodo di quest ultima a 21mila anni.

3. Variazione dell’eccentricità dell’orbita: aumenta o diminuisce al distanza in perieolio e afelio, per colpa dell’azione gravitazionele esercitata da altri corpi del Sistema Solare.

4. Mutamento dell’inclinazione dell’asse terrestre

• Unità di misura del tempo

Unità di misura del tempo

Per giorno si intende il periodo di tempo che la Terra impiega per compiere una rotazione intorno al proprio asse. Si può distinguere:

1. Giorno sidereo (23h,56m,4s) durata effettiva della rotazione terrestre. Il tempo trascorso tra due passaggi successivi di una stella su un determinato meridiano

2. Giorno solare (24h) tempo trascorso tra due culminazioni consecutive del Sole sullo stesso meridiano.

La differenza è dovuta al fatto che, mentre la Terra compie una rotazione, si muove anche lungo la sua orbita. Quindi, per avere il Sole nuovamente nella stessa posizione, deve compiere un supplemento di rotazione corrispondente all’arco percorso dall’orbita.

L’anno è il tempo che la Terra impiega a compiere una rivoluzione intorno al Sole. Si può distinguere:

1. Anno sidereo (365d,6h,9m,10s) l’intervallo di tempo che passa fra due ritorni conecutivi del Sole nella stessa posizione fra le stelle.

2. Anno tropico (365d,5h,48m,46s) il tempo che intercorre tra due passaggi successivi del Sole allo Zenit dello stesso Tropico, cioè tra due solstizi.

La differenza è dovuta alla precessione degli equinozi: si verificano ogni anno un po’ prima che la Terra abbia compiuto una rivoluzione completa.

• Fusi orari

Fusi orari e tempo universale

Il Sole impiega un’ora per spostarsi di 15° di longitudine, quindi in un giorno passa davanti a tutti i meridiani. L’ora vera (locale) si determina proprio facendo riferimento al passaggio del Sole sul meridiano del luogo.

Ogni Stato sceglie un’ora convenzionale unica, detta ora nazionale, che corrisponde a quella vera del meridiano passante per la capitale.

La superficie terrestre viene divisa in 24 spicchi, detti fusi orari, limitati da meridiani distanti 15° di longitudine, quindi differenziati di 1h. Tutti i luoghi all’interno di un fuso, assumono il tempo civile, cioè quello che corrisponde al meridiano centrale del fuso. Il primo fuso orario ha come meridiano centrale il meridiano di Greenwich, e la sua ora è detta tempo universale.

Esiste una linea internazionale del cambio di data, che divide il tredicesimo fuso in due parti con la stessa ora, ma in giorni diversi. Essa corrisponde con l’antimeridiano di Greenwich e passa per l’Oceano Pacifico.

Se si è diretti verso Est -> ripetere la data del giorno in corso

Se si è diretti verso Ovest --> spostare la data al giorno successivo.