Scienze della terra

La terra e la sua rappresentazione

Il fatto che la terra fosse sferica era già noto in passato. Era possibile rendersene conto dalla gobba della luna, o dalla forma circolare delle eclissi o, ancora, si poteva intuire stando sulla cima di una montagna in quanto l’orizzonte tende ad incurvarsi.

Il pianeta terra

La terra è il terzo pianeta del sistema solare dopo Mercurio e Venere. La terra orbita intorno al Sole e ruota su se stessa attorno ad una linea immaginaria detta asse terrestre, le cui estremità sono situate ai due poli. L’equatore, che è lungo 40,000 km, divide la terra in due emisferi, ognuno dei quali contiene un polo: l’emisfero boreale e l’emisfero australe. Ogni circonferenza ideale tracciata parallelamente all’equatore si chiama parallelo. Ogni circolo massimo che passa per entrambi i poli si chiama meridiano.

La forma della terra

La terra non è una sfera perfetta ma un solido che nel dettaglio ha una forma assai complessa. La sua superficie ideale, detta geoide, è perpendicolare in ogni punto alla forza di gravità e coincide con la superficie di un mare privo di onde e maree, esteso idealmente anche sotto i continenti. Poiché la direzione della gravità cambia da luogo a luogo per la variabilità delle rocce che costituiscono la crosta terrestre, il geoide è molto irregolare. La forma del nostro pianeta, rigonfiata all’equatore e schiacciata ai poli per effetto della forza centrifuga dovuta al suo rapido moto di rotazione, si approssima allora ad un ellissoide di rotazione.

• Diametro: oltre 12,000 km
• Raggio: circa 6,000 km

Essendo la terra non una sfera regolare, ne deriva che il raggio non è uguale in ogni punto. Infatti, mentre il raggio centro-polo è pari a 6,356 chilometri, il raggio centro-equatore è lungo 21 km di più. Ciò significa che il geoide internazionale è schiacciato ai poli di 21.47 km.

Le coordinate geografiche

La posizione di un punto qualunque della superficie terrestre è definita dall’incrocio di un parallelo e di un meridiano. La lunghezza di un arco di parallelo pari ad un grado di longitudine è massima ed è pari a 111.699 km, mentre è minima ai poli 110.575 km. La sessantesima parte di questo valore pari a 1852 metri è la lunghezza di un arco di meridiano e corrisponde al miglio marino. Si ricorda che il miglio terrestre è invece pari a 1609 metri.

I movimenti della terra

La terra gira attorno al Sole, compie una rivoluzione completa in un anno, ovvero 365 giorni. L’orbita terrestre non è circolare, ma ellittica ed il Sole occupa uno dei due fuochi. La distanza dal Sole varia dunque nel corso dell’anno, da un minimo di 147 milioni di chilometri ai primi di gennaio, quando la terra passa al perielio, a un massimo di 152 milioni di chilometri ai primi di luglio quando essa si trova all’afelio. La velocità di rivoluzione della Terra è molto elevata ed è pari a oltre 100,000 chilometri all'ora. La velocità è massima al perielio ed è minima all’afelio. La terra gira intorno al proprio asse e compie una rotazione completa in un giorno. In un anno, che dura 365 giorni, la Terra ruota dunque circa 365 volte e un quarto.

Le stagioni

L’asse di rotazione terrestre è inclinato di circa 66 gradi 33 primi rispetto al piano dell’orbita di rivoluzione. Durante l’anno non cambia l’inclinazione dell’asse terrestre, che rimane sempre parallelo a se stesso, diretto verso il punto dello spazio dove di notte splende la stella polare. Dal movimento della Terra intorno al Sole e l’inclinazione dell’asse terrestre deriva il fenomeno delle stagioni. I raggi solari illuminano il nostro pianeta una metà alla volta, lasciando il buio l’altra metà; la linea che separa la metà illuminata da quella in ombra si chiama circolo di illuminazione. A causa del moto di rivoluzione, il circolo d’illuminazione passa esattamente per entrambi i poli due volte all’anno. Questi sono i due giorni di equinozio, durante i quali in tutto il globo la durata del dì è pari a quella della notte e cioè 12 h esatte.

Durante gli equinozi, un polo si trova per sei mesi nella zona illuminata dal sole, mentre l’altro rimane costantemente al buio per 6 mesi. A partire dall’equinozio, il circolo di illuminazione si allontana dai poli fino a raggiungere una distanza massima del solstizio, il giorno in cui il Sole raggiunge la sua massima o minima altezza sull’orizzonte, ed è massima la disparità fra la durata del dì e della notte. I due equinozi e i due solstizi dividono l’anno nelle 4 stagioni.

Nel nostro emisfero, l’equinozio di primavera cade il 20 o il 21 marzo, il solstizio d’estate il 21 o il 22 giugno, l’equinozio d’autunno il 23 o 22 settembre, il solstizio d’inverno è il 22 o 21 dicembre. Nell’emisfero australe le stagioni sono invertite. La terra posta più vicina al Sole, dove il suo moto di rivoluzione è più rapido, quando nel nostro emisfero inizia l’inverno. È per questo motivo che nel nostro emisfero l’inverno è più mite e il semestre autunno-inverno è oltre 7 giorni più breve del semestre primavera-estate. L’opposto accade nell’emisfero australe, dove l’inverno è più rigido e lungo, e l’estate più calda e breve. Questo contrasto stagionale è attenuato nel nostro emisfero, dove l’estate cade in afelio, mentre è più marcata nell’emisfero australe. La situazione però tra i due emisferi si inverte ciclicamente, grazie al fenomeno della precessione degli equinozi.

Nel corso di un anno varia sia la durata del giorno e della notte, sia i punti dell’orizzonte in cui vediamo sorgere e tramontare il sole, sia l’altezza sull’orizzonte del sole a mezzodì. Mentre il 20 marzo a Roma il sole raggiunge un’altezza di 48 gradi sull’orizzonte, in primavera il sole sale fino ad un altezza di 71 gradi. Questo aumento di inclinazione proseguendo verso la stagione calda viene chiamato moto ascendente solare quando il sole a una certa latitudine raggiunge la sua altezza massima raggiungibile si dice che fa stazione.

I moti millenari della terra

Il moto di rivoluzione terrestre sarebbe assai più regolare e costante nel tempo se la Terra fosse una sfera perfetta e nel sistema solare non esistessero numerosi corpi, come pianeti, satelliti, asteroidi, che esercitano una certa attrazione gravitazionale reciproca. Questi fenomeni provocano altre variazioni nella posizione della Terra nello spazio, dando luogo a una serie di moti ben più lenti di quelli di rotazione e rivoluzione. La direzione dell’asse terrestre, che oggi punta verso la stella polare, muta lentamente nel tempo, descrivendo in circa 26,000 anni un doppio cono con vertice al centro del pianeta. Tale moto di precessione è dovuto alla trazione solare e lunare, cui si contrappone la rapida rotazione terrestre. Questo periodo è di circa 21,000 anni se si considerano congiuntamente i fenomeni di precessione e di rotazione della linea degli apsidi (linea che congiunge perielio e afelio) e questo fenomeno è noto come precessione degli equinozi. Il moto di precessione, a sua volta, è disturbato da piccole oscillazioni con periodo di circa 19 anni chiamate nutazioni, dovute al continuo spostamento reciproco di Sole, Luna, terra.

Zone astronomiche

Poiché l’inclinazione del sole sull’orizzonte dipende anche dalla latitudine, in Italia il sole non raggiunge mai 90 gradi sull’orizzonte, cioè si dice che non raggiunge mai lo Zenit. Ai poli succede una cosa curiosa: Essendo l’asse terrestre inclinato, succede che per sei mesi un polo rimane sempre oscurato, mentre l’altro sempre illuminato. Ne deriva che in un polo per sei mesi il sole non sorgerà e non tramonterà mai, l’opposto accadrà nell’altro polo.

• Zona Torrida: È divisa a metà dall’equatore e qui il sole passa allo zenit due volte l’anno. È una zona caratterizzata da piogge intense.
• Zona Temperata: È una zona astronomica che si trova tra il Tropico e il circolo polare. È una zona moderatamente riscaldata dal sole, dove il sole non tocca mai lo Zenit.
• Zona Glaciale: La radiazione qui non è efficiente in quanto i raggi si disperdono su una superficie molto ampia.

Carte geografiche

Le carte geografiche sono rappresentazioni a scala ridotta della superficie terrestre, che mettono in evidenza le informazioni più rilevanti per un dato scopo. Le prime carte furono utilizzate dagli antichi egizi per stabilire i confini di appezzamenti coltivati nelle zone periodicamente sommerse dalle inondazioni. La prima carta geografica del mondo abitato è attribuita al filosofo Anassimandro, mentre a Tolomeo si deve la prima raffigurazione del globo terrestre con paralleli e meridiani.

Le proiezioni geografiche

La superficie sferica della terra può essere rappresentata fedelmente in scala solo disegnando continenti e oceani su un mappamondo. Quando invece si vuole disegnare una certa terra su un piano, è impossibile riportare una superficie sferica su un piano senza introdurre deformazioni. Nel rappresentare sul piano la superficie terrestre, tali deformazioni possono essere ridotte al minimo usando tecniche geometriche, come per esempio avviene nel caso delle proiezioni geografiche o delle proiezioni cartografiche. Poiché è impossibile mantenere inalterati contemporaneamente gli angoli, le aree e le distanze reali, si deve scegliere per ogni carta quale di queste tre grandezze debba essere rappresentata fedelmente.

• Proiezioni Conformi o Isogoniche: Sono carte conformi che devono riprodurre accuratamente la forma delle coste e soprattutto gli angoli che due direzioni formano tra loro. Tra queste ci sono le carte nautiche.
• Proiezioni Equivalenti o Omalografiche: Mantengono invece inalterate le aree e sono utili per rappresentare gli aspetti geografici del Territorio.
• Proiezioni Equidistanti: Sono proiezioni che rispettano la proporzionalità fra le distanze, seppure limitatamente a determinate direzioni. Se infatti l’equidistanza fosse mantenuta in tutte le direzioni, la carta sarebbe anche conforme ed equivalente; ma una tale carta potrebbe esistere solo se la sfera fosse applicabile al piano. Le deformazioni angolari, superficiali e lineari sono tutte mantenute entro valori molto piccoli nelle carte affilattiche.

Proiezioni prospettiche e di sviluppo

Per realizzare le proiezioni cartografiche, si immagina di tracciare da un punto infinite rette che, passando attraverso la superficie della Terra, proiettano su un piano meridiani paralleli e tutti i punti della regione da rappresentare. Le rette vengono proiettate su un piano tangente la terra nelle proiezioni prospettiche, oppure su un cilindro o su un cono che inviluppa il pianeta nelle proiezioni di sviluppo. In quest’ultimo caso il cilindro e il cono vengono tagliati e distesi su un piano (sviluppati).

Tipi di proiezioni prospettiche

• Il punto di partenza da cui viene realizzata una proiezione prospettica si può trovare al centro della Terra, come è il caso delle proiezioni centro grafiche o gnomoniche.
• Il punto di partenza da cui viene realizzata una proiezione prospettica si può trovare alle estremità del diametro perpendicolare al piano di proiezione, come nel caso delle proiezioni stereografiche.
• Il punto di partenza da cui viene realizzata una proiezione prospettica si può trovare all’esterno di tale diametro, come è il caso delle proiezioni scenografiche.
• Il punto di partenza da cui viene realizzata una proiezione prospettica si può trovare all’infinito sulla perpendicolare al piano di proiezione, come è il caso delle proiezioni ortografiche.

Dalle diverse combinazioni di questi metodi si possono ottenere 12 proiezioni prospettiche semplici e varie proiezioni più complesse. Solo con queste si può mantenere inalterata una delle tre grandezze, vale a dire gli angoli, superfici e distanze. L'unica proiezione prospettica usata ancora oggi è la stereografica polare, che è conforme.

Tipi di proiezioni di sviluppo

Proiezioni di sviluppo, suddivise in cilindriche e coniche, permettono di mantenere la corrispondenza degli angoli, l'equivalenza o l'equidistanza, controllando contemporaneamente sia le deformazioni che le altre due grandezze. La proiezione cilindrica diretta viene costruita sviluppando un cilindro tangente l'equatore, su cui dal centro del globo si sono proiettati oceani e continenti. Essa rappresenta meridiani e paralleli con rette perpendicolari tra loro, ma non è conforme. Per annullare la deformazione angolare e ottenere così una carta adatta per la navigazione, Mercatore allontanò le linee che rappresentano i paralleli secondo una formula opportuna. Sia la proiezione cilindrica diretta che quella di Mercatore esagerano sempre più l'ampiezza delle aree, procedendo dall'equatore verso i poli. La proiezione conica più semplice viene costruita partendo da un cono retto. Meridiani e paralleli formano sulla carta trapezi a basi curve. Ogni parallelo risulta più corto e più curvo man mano che ci si avvicina al polo. Una proiezione cilindrica è la rappresentazione omalografica di Mollweide, in cui i paralleli sono linee rette e i meridiani hanno forma ellittica via via più accentuata verso i bordi della carta. Da questa deriva la proiezione di Goode che, a scapito di una rappresentazione discontinua, mantiene l'equivalenza delle aree e riduce le deformazioni dei continenti. Nella proiezione pseudoconica di Bonne, i meridiani e i paralleli sono tutte linee curve.

Le rappresentazioni

Le rappresentazioni sono interamente generate con calcolo. Si sono affermate a partire dal 1800. Esse sono costruite istituendo una relazione matematica tra le coordinate geografiche di un punto sul globo e quelle cartesiane nello stesso punto sulla carta. La funzione tende a ridurre al massimo le deformazioni.

La costruzione di una carta geografica

Così come si inizia a costruire un edificio da scavi e fondazioni, procedendo poi con i muri esterni, quindi con solette per ciascun piano e infine con la suddivisione locali, anche in cartografia si opera dal generale al particolare. Prima di tutto occorre quindi rilevare la rete geodetica fondamentale, e cioè definire con la maggior precisione possibile la posizione che un certo numero di punti equamente distribuiti sul territorio. Fino alla prima metà del 1900 non era possibile misurare direttamente grandi distanze. Si ponevano allora due segnali ad alcuni chilometri l'uno dall'altro, misurandone con massima precisione la distanza. A questo scopo si utilizzavano longimetri. Tale base geodetica veniva poi rappresentata ai lati dei triangoli che formavano la rete geodetica, effettuando solo misure angolari, già allora sufficientemente semplici e precise. Le reti venivano rilevate con diversi tipi di teodoliti, piccoli cannocchiali in grado di ruotare orizzontalmente e verticalmente, che richiedevano operazioni diverse a seconda del tipo di terreno. Solo dagli anni '50 è stato possibile misurare i lati dei triangoli geodetici con geometri e tellurometri. Le classiche triangolazioni sono state successivamente sostituite dalle trilaterazioni e le reti geodetiche non hanno più dovuto essere necessariamente a base triangolare ma anche quadrilatera o poligonale. La quota sul livello medio del mare dei vertici della rete si ottiene con livellazioni trigonometriche.

Sistema GPS

Negli anni '70 è stato introdotto il rivoluzionario sistema GPS (Global Positioning System) che, grazie a segnali in codice inviati da una costellazione di 21 satelliti artificiali che orbitano a 20,000 km di altezza e poi contati e manipolati da appositi ricevitori, consente di determinare la posizione di un punto sulla superficie terrestre con incredibile precisione. L'utilizzo del sistema satellitare Navstar ha semplificato enormemente le operazioni geodetiche e con questi metodi sono state rifatte molte reti geodetiche nel mondo.

Il rilevamento del terreno

Negli anni Trenta il rilevamento era fatto dal topografo con strumenti capaci di misurare angoli e distanze, tradotti poi in coordinate cartografiche e quote dei punti rilevati. In quel periodo si usavano tacheometri, ovvero teodoliti di modesta precisione muniti di cannocchiale ma spesso anche con semplici aste metriche. Tutti i punti rilevati e i loro collegamenti venivano poi riportati sulla carta dal disegnatore o cartografo, che completava il lavoro con i simboli necessari, i nomi dei luoghi e altre informazioni necessarie alla lettura della carta.

Ma a partire dagli anni '30, il rilevamento fotogrammetrico ha finito per sostituire quello topografico, trovando sempre nuove applicazioni. La fotogrammetria è un metodo di misura su immagini dell'oggetto da rilevare. Eseguite delle fotografie da un aereo con camere speciali, mediante strumenti oggi largamente informatizzati (restitutori fotogrammetrici) si ottiene quindi direttamente la carta del terreno fotografato, prima su video a colori e poi su carta, tramite tavoli da disegno automatici.

A partire dagli anni '60 si è affermata anche la tecnica del telerilevamento. Essa utilizza riprese eseguite soprattutto da satelliti artificiali piattaforme orbitanti, come per esempio lo Spacelab, con sensori diversi dalla pellicola fotografica, come i sali sensibili alle radiazioni (nel rilevamento all'infrarosso termico IRLS) o le onde centimetriche (nel rilevamento radar, SLAR).

La lettura di una carta geografica

Le carte geografiche sono raffigurazioni convenzionali del Territorio, che utilizzano un complesso sistema di simboli per riportare con chiarezza tutte le informazioni ritenute interessanti per un dato scopo. Per essere riprodotte su una carta geografica, l'intero processo deve essere eseguito con precisione e attenzione ai dettagli.