Riassunto esame fisica sperimentale, prof. Straulino, libro consigliato Lezioni di astronomia. Per gli studenti di Scienze della formazione primaria, Straulino

P

Nord e l’emisfero australe a Sud. La direzione verticale in un punto della Terra è individuata

dalla direzione del filo a piombo. Il prolungamento verso l'alto del filo piombo incontra la volta

P

celeste in un punto chiamato Zenit. Il piano perpendicolare alla verticale nel punto si chiama

P

invece piano orizzontale nel punto . Il piano orizzontale e il filo a piombo sono orientati in modo

diverso per ogni punto della Terra, a causa della curvatura della superficie del pianeta. Il

prolungamento dell'asse terrestre individua sulla volta celeste il Polo Nord Celeste (o il Polo Sud

Celeste per un osservatore che si trova nell’altro emisfero). Se tagliamo il globo con dei piani

paralleli al piano equatoriale, l'intersezione con la superficie terrestre individua una serie di

circonferenze chiamate paralleli, che sono di lunghezza più piccola via via che ci si allontana

dall’Equatore. Invece, i piani che contengono l’asse terrestre incontrano la Terra lungo

circonferenze tutte approssimativamente della stessa lunghezza chiamate meridiani. I paralleli e

meridiani sono utilizzati per individuare un punto sulla Terra, attraverso un sistema di coordinate.

Poiché i meridiani sono tutti uguali, il meridiano passante per Greenwich è stato scelto come quello

v P C

di riferimento. Si definisce latitudine di un punto l' angolo con vertice al centro della Terra

P p

che sottende l’arco di meridiano compreso fra l’equatore e il punto . Invece la longitudine del

P

punto è l’angolo, con centro sull’asse terrestre, che sottende l’arco di parallelo che va dal

P

meridiano di Greenwich al punto . 4

A causa della rotazione terrestre, la posizione del Sole nel cielo non si mantiene fissa durante la

giornata. Il Sole sorge, raggiunge la sua massima altezza (culminazione) in un istante chiamato

h

mezzogiorno e quindi tramonta. L’altezza del Sole, o di una stella, è definita come l’angolo ,

centrato sull’osservatore e appartenente a un piano verticale, misurato a partire dall’orizzonte fino

a incontrare la stella considerata.

Se la Terra fosse priva di atmosfera, al tramonto si avrebbe un passaggio improvviso da luce a

oscurità, mentre la presenza di uno strato di gas che diffonde la radiazione luminosa del Sole

determina al contrario un passaggio graduale fra le due condizioni. La culminazione del Sole si

verifica nello stesso istante per località che si trovano sullo stesso meridiano e in quel momento,

nel nostro emisfero, il Sole indica il Sud.

Riguardo al moto di rivoluzione, l’asse di rotazione della Terra mantiene un’inclinazione costante

rispetto al piano che contiene la sua orbita intorno al Sole e punta sempre nella stessa direzione,

cioè verso la stella polare. La stella polare è l’unica stella che mantiene la stessa posizione nel ciel

in tutte le stagioni dell’anno e a qualsiasi ora della notte, se osservata dalla stessa latitudine.

Queste condizioni danno luogo all’alternanza delle stagioni. Quando la Terra si trova nella

posizione 1, il Polo Nord è rivolto verso il Sole mentre il Polo Sud rimane nell’oscurità. Se la Terra

si trova in questa posizione i raggi solari arrivano perpendicolari al suolo in un punto che si trova

nell’emisfero Nord del globo. Nella posizione 2 la Terra si è spostata di un quarto di giro intorno al

Sole e l’asse terrestre si è mantenuto parallelo alla direzione che aveva nella posizione 1: in

questa nuova situazione nessuno dei due poli è orientato preferenzialmente verso il Sole e la sua

luce arriva perpendicolare al suolo su un punto dell’Equatore. Nella posizione 3 si ha la condizione

complementare a quella trovata nella posizione 1: adesso il Polo Sud è rivolto verso il Sole e il

Polo Nord resta in ombra. I raggi solari arrivano perpendicolari al suolo in un punto della Terra che

si trova nell’emisfero Sud. Nella posizione 4, infine, si ripete esattamente la configurazione

incontrata nella posizione 2.

Le posizioni 1 e 3 sono dette solstizi, mentre le posizioni 2 e 4 sono chiamate equinozi. Il solstizio

corrisponde al momento in cui la luce del Sole è allo Zenit sopra un parallelo chiamato Tropico. Al 5

solstizio d’estate (che cade attorno al 21 giugno) il sole è allo Zenit sul Tropico del Cancro, che si

trova nell’emisfero Nord. Al contrario, al solstizio d’inverno (introno al 22 dicembre) il Sole è allo

Zenit sopra il Tropico del Capricorno, che si trova nell’emisfero Sud. Al solstizio d’estate le persone

che si trovano intorno al Polo Nord (in una zona delimitata dal Circolo Polare Artico) vedono il

Sole sopra l’orizzonte per tutta la durata delle 24 ore, mentre in una zona analoga intorno al Polo

Sud (delimitata dal Circolo Polare Antartico) il Sole resta nascosto e si hanno 24 ore di oscurità.

Al contrario, al solstizio d’inverso si ha oscurità entro il Circolo Polare Artico e illuminazione

continua entro il Circolo Polare Antartico. Nei giorni successivi ai solstizi ai solstizi i raggi del Sole

si trovano allo Zenit in punti via via più vicini all’Equatore. Le zone di luce totale e di oscurità totale

intorno ai poli divengono sempre più piccole fino a quando, nei giorni equinoziali (che cadono

attorno al 21 marzo e al 23 settembre) la durata del giorno e della notte è la stessa per qualsiasi

località sulla Terra. Quando la Terra si trova fra la posizione 1 e la posizione 2 si ha l’estate. I

successivi quarti di rivoluzione corrispondono rispettivamente a autunno, inverno e primavera.

Inoltre, nei diversi periodi dell'anno troviamo nel cielo stelle diverse. Quando la Terra è nella

posizione 1 vediamo la costellazione rappresentata, che risulta al contrario invisibile quando la

Terra è nella posizione 3: infatti in quel caso la costellazione considerata è nella stessa direzione

del Sole. Le stelle si trovano in prossimità del Polo Nord Celeste, come l’Orsa Maggiore, sono

invece visibili dal nostro emisero in ogni momento dell’anno. L’Orsa Maggiore è visibile

dall’emisfero Nord in qualunque stagione dell’anno, dato che si trova abbastanza vicina al Polo

Nord Celeste, e costellazioni con questa caratteristica si dicono circumpolari.

L’orientazione della Terra rispetto ai raggi solari in arrivo è diversa durante le stagioni dell’anno. Le

differenze nel clima fra le varie stagioni sono dovute alla durata della notte e all’inclinazione dei

raggi solari rispetto al suolo. L’energia trasportata dalla radiazione solare si distribuisce su una

superficie più o meno ampia, a seconda dell’altezza del Sole sull’orizzonte. Quando il Sole è più

basso, i suoi raggi non riscaldano il suolo con la stessa intensità che si raggiunge quando il Sole è

α β

più vicino allo Zenit. Se i raggi solari formano un angolo oppure un angolo , la stessa energia

A B A

irradiata viene distribuita sulla superficie oppure sulla superficie . La superficie è più piccola

B A

di e quindi il riscaldamento è maggiore in . Si noti anche la diversa lunghezza dell’ombra nei

due casi.

È possibile dimostrare, stando sulla Terra, che il nostro pianeta ha un moto di rotazione perché in

un sistema rotante sono sempre presenti alcune forze, dette forze apparenti, che possono essere

rivelate dalle anomalie nelle traiettorie dei corpi in movimento. Foucault utilizzò un pendolo

costruito da un oggetto pensante, come una sfera di metallo, appeso a un filo leggero e resistente,

che viene detto oscillare in un piano verticale. Il moto è periodico e la durata di un’oscillazione

aumenta con la lunghezza del filo. Facendo partire il pendolo lungo una direzione fissata e

osservando il moto su tempi lunghi si scopre che il piano di oscillazione della sfera ruota in senso

orario rispetto alla linea di riferimento. L’ampiezza dell’angolo di rotazione dipende dalla latitudine

del luogo. Il fenomeno osservato è collegato alla rotazione terrestre: il piano di oscillazione del

pendolo è in realtà fisso rispetto alle stelle, mentre l'edificio nel quale svolgiamo l'esperimento e

solidale con la Terra e ruota lentamente in senso antiorario. Per questo motivo vediamo il piano di

oscillazione spostarsi nella direzione opposta.

L'altezza del Sole a mezzogiorno dipende dalla latitudine del luogo e dal periodo dell’anno. Il primo

giorno d’estate, i raggi solari risultano perpendicolari al piano dell’orizzonte in corrispondenza del

Tropico del Cancro. La parte nera rappresenta la zona del Pianeta che rimane nell’oscurità, che

non è “permanente” perché la Terra ruota su se stessa e la notte e il giorno si alternano. Tuttavia 6

esistono due zone del pianeta, in prossimità del Polo Nord e del Polo Sud, in cui questa

alternanza, nel giorno considerato, non c’è. In questo momento dell'anno si ha un irraggiamento

solare maggiore nell'emisfero boreale, dove inizia la stagione calda, rispetto all’emisfero australe,

in cui comincia la stagione fredda. Dunque, al solstizio d’estate il Sole raggiunge lo Zenit sulle

località che si trovano sul Tropico del Cancro. Per capire quali sia l’altezza del Sole sull’orizzonte in

un’altra località della Terra, bisogna valutare quale sia la differenza fra la latitudine del luogo

considerato e la latitudine del Tropico del Cancro.

Eratostene misurò con una certa precisione la circonferenza della Terra. Eratostene notò che

nella città di Siene i raggi del Sole, a mezzogiorno del solstizio d’estate, raggiungono il fondo dei

pozzi e vengono riflessi dall’acqua: il quel momento il Sole è allo Zenit. Siene si trova

approssimativamente sul Tropico del Cancro. Nella città di Alessandria, che si trova alcune

centinaia di chilometri più a nord di Siene, la luce del Sole non arriva mai sul fondo del pozzo, ma

si ferma sulle pareti interne. Eratostene suppone che le due città si trovavano sullo stesso

meridiano e conosce la distanza che le separa. Misurando ad Alessandria l'ombra prodotta da un

obelisco di altezza nota, Eratostene ricava facilmente il valore dell'angolo che i raggi formano con

la direzione verticale. L'angolo anche il vertice nel centro della Terra e individua sulla superficie del

globo la lunghezza dell’arco. Conoscendo il valore dell'angolo che i raggi formano con la direzione

verticale e la lunghezza dell’arco, Eratostene può determinare in modo semplice la circonferenza

della Terra e trova il valore di 250.000 stadi.

Il “mappamondo parallelo” chiarisce le modalità dell'irraggiamento solare sul nostro pianeta.

Disponiamo il modellino della Terra in modo che sia orie