CORSO DI CULTURA NAUTICA

CORSO DI CULTURA NAUTICA
Lezione 10
1.10 Cenni di geografia astronomica.- ( Parte I )
1. Introduzione
Una certa conoscenza di base sui fenomeni astronomici è senz’altro utile per il
navigante, che deve sentirsi “padrone” nell’interpretare l’ambiente in cui opera.
Sin dall’inizio dei primi viaggi per mare i navigatori, più che i viaggiatori
esploratori terrestri, si trovavano completamente “immersi” in un ambiente nel
quale i riferimenti dominanti erano forniti dall’interpretazione dei movimenti degli
astri nel cielo, di giorno e di notte.
Le conoscenze iniziali, ancora rudimentali, ma essenziali ed ancora oggi valide,
cominciarono a prendere un nuovo impulso, sotto l’aspetto teorico e pratico, a
partire dal XV secolo fino a raggiungere, con l’invenzione del cronometro marino
( sulla fine del XVIII secolo) e nel secolo XIX (con l’adozione del metodo di
calcolo del punto nave astronomico ideato dal Comandante Saint Hilaire della
Marina francese nel 1874) l’attuale impostazione tuttora valida, perfezionata
ulteriormente dalla disponibilità di cronometri ormai precisissimi, dall’avvento di
segnali orari diffusi via radio, dalla realizzazione delle moderne calcolatrici
scientifiche programmabili.
Come abbiamo già accennato in precedenti lezioni, la capacità di effettuare il
punto nave astronomico, oggi resa ancora più agevole da strumenti avanzati resi
disponibili dalla tecnica, è ormai del tutto superata, in termini di facilità,
affidabilità, precisione e costo della strumentazione necessaria, dall’avvento del
sistema di navigazione satellitare.
Non tratteremo quindi la metodologia per il calcolo del punto nave astronomico,
ma descriveremo quelle conoscenze che consentivano agli antichi navigatori,
prima del XV secolo, di interpretare il movimento degli astri e di avvalersi
comunque delle indicazioni fondamentali che essi potevano dare.
2. La sfera celeste
Il concetto di sfera celeste è basato su un’interpretazione della cosmografia messa
a punto dai primi astronomi del mondo antico, quando ancora si aveva una visione
“geocentrica” dell’universo, che si presta ancor oggi per la descrizione del
movimento degli astri, pur senza approfondire le leggi della meccanica celeste,
note solo dopo gli studi di Copernico, Keplero, Galileo e Newton.
Nel definire la sfera celeste si assume dunque che la Terra sia il centro
dell’universo, posta al centro di una sfera il cui raggio sia talmente ampio, da
poter considerare la Terra stessa puntiforme.
Stelle, Sole e pianeti sono considerati tutti a grandissima distanza (potremmo
immaginarla quella delle stelle più lontane) “incastonati” sulla nostra sfera: le
stelle si possono considerarle praticamente “fisse” (nei tempi della vita di un
uomo); Sole, pianeti e Luna sono invece dotati di un movimento proprio, rispetto
alla stelle fisse, rilevabile con i mezzi d’osservazione a disposizione degli “antichi
astronomi” e dell’uomo “della strada”, naviganti compresi.
Vediamo, infatti, la Luna cambiare la propria posizione rispetto alle stelle “fisse”,
nel corso di un giorno, e notiamo analoghi spostamenti di Sole ed i pianeti nel
corso di un anno.
(oggi sappiamo bene qual è la realtà: la Luna ruota intorno alla Terra nel corso di
un mese lunare, circa 28 giorni e mezzo; la Terra ed i pianeti ruotano intorno al
Sole, ciascuno con il proprio periodo di rivoluzione, che per la Terra dura un
“anno solare”, circa 365 giorni).
Possiamo anche immaginare di proiettare l’asse della Terra sulla sfera celeste, che
la incontrerà in due punti : il Polo Nord “celeste” ed il Polo Sud “celeste”.
La linea dei poli, cioè l’asse della sfera celeste, coincide con l’asse terrestre e ne è
il prolungamento.
Il piano passante per il centro della Terra e per l’Equatore terrestre incontra la
sfera celeste lungo un cerchio massimo che è l’“Equatore celeste”.
In piena analogia con quanto abbiamo visto nelle prime due lezioni, possiamo
stabilire un sistema di coordinate, costituite da paralleli e meridiani, ovviamente
tutti “celesti”, che consentono di fissare in maniera univoca la posizione degli astri
(latitudine e longitudine “celesti”).
3. L’osservatore
Visto che nella nostra ideale rappresentazione il raggio terrestre è piccolissimo
rispetto a quello della sfera, possiamo assumere che la posizione di un osservatore
sia praticamente coincidente con il centro della Terra e che anche l’osservatore sia
al centro della sfera celeste.
Nella figura che segue
possiamo individuare:
- Il piano orizzontale passante per un generico osservatore (situato ad una
latitudine geografica che interseca la sfera celeste con il cerchio
disegnato prospetticamente con la linea blu
- I punti “zenith” e “nadir” determinati dall’intersezione della verticale
locale dell’osservatore con la sfera celeste
- Il meridiano ( cerchio massimo che contiene i poli) passante anche per lo
“zenith” e per il “Nadir”, detto meridiano principale o anche meridiano
dell’osservatore
- I punti cardinali Nord e Sud determinati dall’intersezione del meridiano
dell’osservatore con la linea dell’orizzonte
- I punti cardinali Est ed Ovest, individuati dall’intersezione del Equatore
celeste con l’ideale linea dell’orizzonte proiettata sulla sfera celeste
- L’angolo verticale  compreso tra il polo Nord celeste ed il punto
cardinale Nord, corrisponde alla latitudine geografica dell’osservatore;
l’angolo verticale compreso tra il polo Nord e lo Zenith (pari a 90°- ) è
denominato “colatitudine”
4. La rotazione diurna della Terra
La finzione della sfera celeste, ora appena descritta, ci consente di immaginare che
la Terra sia ferma nello spazio, priva del movimento di rotazione intorno al suo
asse e che invece che la sfera celeste ruoti intorno al suo asse(coincidente con
quello della Terra) con la stessa velocità angolare, ma in senso contrario.
Ai fini della nostra simulazione – che coincide con l’antica interpretazione del
moto degli astri, ma anche con ciò che vediamo apparentemente - possiamo
immaginare che la sfera celeste ruota sul proprio asse intorno alla Terra in 24 ore,
in senso orario, se la osserviamo dal Polo Nord celeste, (la Terra ruota in senso
antiorario) e vediamo sorgere gli astri ad Est e tramontare ad Ovest.
La figura che segue, più arricchita rispetto alla prima, ci consente ulteriori
considerazioni:
- In questa figura la latitudine dell’osservatore è molto minore della precedente
(circa 25° Nord), siamo più vicini all’Equatore; se fossimo a latitudine zero
(sull’Equatore) l’asse di rotazione della sfera celeste (e della Terra) sarebbe
coincidente con la linea Nord-Sud;
- I cerchi in rosso rappresentano due particolari paralleli celesti, di latitudine
negativa, appartenenti all’emisfero celeste meridionale (un parallelo di latitudine
positiva, qui non disegnato, appartenente all’emisfero settentrionale, sarebbe stato
disegnato a sinistra dell’equatore celeste);
- Sul parallelo più vicino all’Equatore (circa 10° Sud) è stato disegnato in rosso un
astro e la freccia gialla ne indica la traiettoria per effetto del moto diurno
(simulato) della sfera celeste; visto dal Polo Nord verso il polo Sud, ci appare
muoversi in senso orario;
- Noi (osservatori) siamo al centro della sfera, coincidente con il centro della Terra;
se ci mettiamo con le spalle rivolte verso il punto cardinale Nord, vedremo l’astro
sorgere sulla nostra sinistra (dove il parallelo incontra la linea blu dell’orizzonte),
a metà giornata l’avremo di fronte, verso Sud, ad un’altezza di circa 55°;
- L’astro sta percorrendo il parallelo (che è la sua traiettoria giornaliera)
diminuendo progressivamente la sua altezza, dirigendo verso il tramonto, dove il
parallelo taglia la linea dell’orizzonte; dopo il tramonto non sarà più visibile da
parte dell’osservatore perché la sua altezza è di segno negativo;
- Nel corso della giornata, 24 h, tutti gli astri (le stelle fisse) percorrono traiettorie
che coincidono con il parallelo della loro latitudine celeste; solo i pianeti, la Luna
ed il Sole sono distinti da moti propri che in varia misura ne fanno variare le
coordinate celesti, come vedremo dopo con maggiore dettaglio;
- Tutto ciò che sta al di sopra della linea blu dell’orizzonte è visibile, tutto ciò che
sta al di sotto non è visibile.
La stessa situazione precedente può essere descritta con un altro tipo di
rappresentazione, denominata proiezione ortografica, ottenuta mediante la proiezione
della sfera celeste sul piano passante per l’asse di rotazione della sfera celeste e per la
verticale dell’osservatore; questo piano contiene quindi i due poli, lo Zenith ed il
Nadir, nonché i punti cardinali Nord e Sud.
Il cerchio massimo che vediamo nella figura rappresenta l’intersezione tra la sfera
celeste ed il suddetto piano.
La linea blu orizzontale rappresenta appunto la proiezione del cerchio dell’orizzonte
sul piano della figura.
Esaminando la figura nel dettaglio, si nota:
- I punti cardinali Est ed Ovest coincidono nella figura, ma il punto E (est)
appartiene alla semisfera che possiamo immaginare al di là del piano della
figura, il punto cardinale W (ovest) appartiene alla semisfera che sta dalla parte
di chi osserva la figura;
- La latitudine dell’osservatore è data dall’angolo verticale compreso tra il Polo
Nord e l’orizzonte, in corrispondenza del Punto cardinale Nord; nel caso in
figura la latitudine è circa 25° Nord; vale a dire che potremmo misurare
l’altezza della Stella Polare (quasi coincidente al Polo Nord celeste) pari a circa
25°; se la nostra latitudine diminuisce perché stiamo navigando verso Sud,
vedremo la Stella Polare abbassarsi sempre di più sulla linea dell’orizzonte; se
navighiamo verso Nord vedremo la Stella Polare sempre più alta sulla linea
-
-
-
-
-
-
-
dell’orizzonte, fino a coincidere con lo Zenith esattamente sulla nostra verticale
se arriviamo fino al Polo Nord;
Il semicerchio passante per i due poli e per lo Zenith è detto “meridiano
superiore”; il semicerchio opposto passante per i poli e per il Nadir è detto
“meridiano inferiore”;il meridiano superiore contiene il punto Q, intersezione
tra l’equatore celeste ed il suddetto meridiano; il meridiano inferiore contiene il
punto Q’, intersezione tra l’equatore ed il meridiano inferiore;
L’azimuth di tutti i punti del meridiano superiore che stanno tra lo zenith ed il
punto cardinale Sud è 180° (direzione sud); analogamente l’azimuth di tutti i
punti compresi tra lo zenith ed il punto cardinale Nord è 000° (direzione Nord);
I paralleli celesti, indicati con ellissi di colore rosso nelle figure precedenti, qui
sono rappresentati da linee, sempre di colore rosso, parallele all’equatore
celeste, anch’esso rappresentato da una linea nera corrispondente al diametro
della sfera celeste perpendicolare all’asse di rotazione della stessa;
La traiettoria, descritta dall’astro indicato con la freccia verde, durante la
rotazione della sfera celeste, è qui rappresentata in rosso : a tratto pieno la
traiettoria descritta nell’emisfero visibile (cioè al di sopra della linea
dell’orizzonte, a linea tratteggiata la parte non visibile sotto la linea
dell’orizzonte;
L’astro indicato con la freccia verde è al momento ad Est del piano del
meridiano superiore, la sua declinazione (latitudine celeste) è di segno positivo
(emisfero Nord), non è attualmente nell’emisfero visibile, ma è prossimo al
sorgere, la freccia verde ne indica il percorso;
L’astro indicato con la freccia gialla, di declinazione negativa (emisfero sud),
avendo già superato il meridiano superiore, è passato ad Ovest e sta
avvicinandosi all’orizzonte; quando arriverà sulla linea blu dell’orizzonte sarà
al tramonto (cioè passerà nell’emisfero non visibile);
L’astro senza freccia, anch’esso nell’emisfero sud (declinazione negativa) si
trova al meridiano superiore, cioè nel punto più alto rispetto all’orizzonte
durante tutta la sua traiettoria diurna;
4. Le coordinate celesti
Nella sfera celeste si possono stabilire due sistemi di coordinate, uno riferito
all’asse di rotazione della sfera celeste e l’altro riferito all’osservatore.
Il sistema di coordinate riferito all’asse di rotazione della sfera celeste è del tutto
analogo a quello descritto per la sfera terrestre.
In conseguenza si definiscono i meridiani e i paralleli della sfera celeste con le
stesse definizioni valide per la sfera terrestre:
- I meridiani sono circoli massimi della sfera celeste passanti per i due poli
- I paralleli sono i cerchi individuati dall’intersezione dei piani paralleli al
piano dell’Equatore con la sfera celeste; l’Equatore celeste è il parallelo
individuato dall’intersezione della sfera celeste con il piano passante per
l’equatore terrestre.
- la latitudine “celeste” , il cui nome è “declinazione” (e si indica con la
lettera dell’alfabeto greco  ), è rappresentata dall’angolo compreso tra il
piano dell’equatore ed il parallelo contenente uno specifico astro
- la longitudine celeste è l’angolo compreso tra il piano contenente il
meridiano passante per l’astro considerato ed il piano contenente il
meridiano di riferimento della sfera celeste (vedremo dopo qual è il
meridiano di riferimento)
Nella figura successiva sono rappresentate le coordinate della sfera celeste:
In questa figura si notano:
- un astro generico ed il suo percorso giornaliero (in rosso), coincidente con il
parallelo dell’astro stesso;
- un punto sull’equatore celeste, indicato con la lettera greca che
corrisponde alla posizione del Sole all’equinozio di primavera,
convenzionalmente scelta come origine delle coordinate celesti: il punto
gamma è solidale con la sfera celeste, come una stella fissa; nel corso del
moto diurno della sfera celeste percorre tutto l’Equatore;
- l’angolo (indicato in verde), compreso tra il piano contenente il meridiano
celeste passante per il punto  ed il piano contenente il meridiano celeste
passante per l’astro è denominato “ascensione retta” (  ), individua
univocamente il meridiano celeste passante per l’astro considerato ( e tutti
gli altri astri che si trovano sullo stesso meridiano e quindi sono
caratterizzati dalla stessa “ascensione retta”); l’ascensione retta si misura in
senso antiorario da 0° a 360° a partire dal punto  ; il complemento a 360°
dell’ascensione retta (360°-  ) è denominato “coascensione retta” (simbolo
co  ) e si misura in senso orario a partire dal punto da 0° a 360°;
- l’angolo (anch’esso indicato con una freccia verde) compreso tra il piano
dell’Equatore ed il piano contenente il parallelo dell’astro, è denominato
“declinazione” (  ), individua univocamente il parallelo celeste dell’astro
(analogamente alla latitudine sulla sfera terrestre, possiamo anche
denominarlo “latitudine celeste”); la declinazione può essere positiva o
negativa a seconda che l’astro si trovi nell’emisfero Nord o nell’emisfero
Sud;
- l’ascensione retta e la declinazione costituiscono un sistema di coordinate
(“celesti”) riferite al punto  e all’Equatore che individuano univocamente
un punto sulla sfera celeste; esse rimangono inalterate durante la rotazione
diurna della sfera celeste.
5. Le stelle fisse
Le stelle, ai fini della navigazione, possono essere considerate fisse sulla sfera
celeste, in quanto i loro moti propri (pur grandi in termini assoluti) non provocano
variazioni apprezzabili in relazione alla loro grandissima distanza dal sistema
solare.
I moti relativi tra il “pianeta Terra” e le stelle fisse sono dovuti essenzialmente a
tre movimenti siderei:
- La rotazione diurna della Terra intorno al sua asse che, abbiamo
detto, comporta la rotazione apparente della sfera celeste;
- Il moto annuo di rivoluzione della Terra intorno al Sole
- Il moto, dovuto alla rotazione della Galassia, che riguarda tutti i corpi
del sistema solare, Sole compreso.
Il primo di essi, vista l’entità del tutto trascurabile del diametro della Terra rispetto
alla distanza delle stelle, non comporta alcuna variazione nella direzione delle
stelle sulla sfera celeste.
Il secondo di essi provoca elongazioni della posizione delle stelle sulla sfera
celeste alquanto limitate nel corso di un ciclo annuale, con una massima ampiezza
di 0,3 secondi di arco.
Il terzo moto comporta variazioni ancora più limitate, appena percepibili nell’arco
di un secolo, il loro effetto diventa sensibile solo nell’arco dei millenni.
In definitiva, ai fini delle esigenze della navigazione, le stelle possono essere
considerate del tutto “fisse” nella sfera celeste e rispetto alla posizione del “punto
” e quindi le loro coordinate “celesti” rimangono invariate.
Infine si deve ricordare che l’asse di rotazione della Terra non è stabile nello
spazio rispetto alle stelle fisse. Esso si muove con un movimento di “precessione”
che gli fa descrivere un cono di apertura di circa 23° nel corso di 26.000 anni.
Ne consegue che le coordinate delle stelle fisse, da noi stabilite in riferimento
all’asse di rotazione della Terra, variano nel corso di un anno di circa 50’’ di arco,
per effetto della precessione dell’asse terrestre.
6. La Stella polare
Anche la Stella Polare è una stella fissa, molto comoda per i naviganti
dell’emisfero settentrionale, in quanto quasi coincidente con il Polo Nord della
sfera celeste (la sua declinazione  è di 89° 15’ – anno 2000), cioè dista meno di
un grado dal Polo Nord della sfera celeste.
Per tale motivo nel corso della rotazione della sfera celeste, essa descrive un
circolo molto piccolo intorno al Polo Nord, mentre le altre stelle, di declinazione
minore – più distanti dal polo - compiono circoli di maggiore ampiezza.
Nell’immagine che vi propongo, l’osservatore, che sta osservando la sfera celeste,
è rivolto verso la stella Polare; la latitudine dell’osservatore è bassa (circa 10°
Nord), la linea orizzontale blu indica la linea dell’orizzonte; possiamo osservare
che:
- l’altezza del Polo Nord sull’orizzonte corrisponde all’angolo  , cioè
la latitudine dell’osservatore;
- le stelle, “incastonate” e fisse nella sfera celeste, ruotano intorno al
Polo Nord come indicato con la freccia bianca, e nel corso delle 24
ore compiono un giro completo;
- alcune di esse, in base alla loro declinazione (  ) piuttosto alta ed in
base alla latitudine dell’osservatore, compiono un giro completo
intorno al polo senza mai tramontare; altre più distanti dal polo in
ragione della loro minore declinazione, vanno ad incontrare la linea
dell’orizzonte e quindi sorgono e tramontano, rimanendo non visibile
la parte del loro percorso sotto la linea dell’orizzonte;
- la stella Polare non coincide esattamente con il Polo Nord, la sua
declinazione è “quasi” 90°, indica la direzione del Nord con buona
approssimazione; anzi in due momenti della giornata la differenza è
quasi nulla ed al massimo l’errore in direzione può essere di un grado
(per gli antichi navigatori – ma anche per noi che abbiamo ormai
bussole e congegni vari molto più perfezionati - in una bella notte
stellata, dava sempre conforto sapere da che parte guardare per
individuare la direzione del Nord);
- sempre per i nostri “riveriti” predecessori era di altrettanto conforto
poter calcolare semplicemente, con poche correzioni, la latitudine
della nave misurando l’altezza della Polare sull’orizzonte; così
navigava Colombo è vi potete immaginare quale fosse la sua
preoccupazione, nel veder diminuire l’altezza della Polare via via che
il viaggio verso l’America centrale procedeva a latitudini sempre più
basse.
Nota 1: alcuni navigatori, prima di lui erano già passati dall’emisfero Nord in
quello Sud, navigando lungo le coste dell’Africa alla ricerca del passaggio
dall’Atlantico all’Indiano, ed avevano visto “tramontare” definitivamente la
Polare in prossimità dell’Equatore, ma la navigazione verso sud era
praticamente avvenuta quasi sempre in vista di costa e per tappe successive.
Nota 2: nell’emisfero Sud si era poi trovato un altro gruppo di stelle – la “Croce
del Sud” – che pur non essendo così vicino al Polo Sud come la Polare al
Polo Nord, forniva comunque un analogo ausilio (psicologico?).