Dall’astronomia alla geografia astronomica La Terra vista dallo spazio. (NASA) La forma della Terra I popoli antichi pensavano che la Terra fosse piatta e poco estesa, limitata. I primi Greci ritenevano che la Terra fosse costituita da un disco circolare circondato dal grande Fiume Oceano, in perpetuo corso, e che sopra vi fosse la conca emisferica del cielo. La forma della Terra Nel VI sec. a.C., Talete, primo filosofo greco e attento viaggiatore, fece tesoro delle conoscenze e degli studi di Babilonesi ed Egizi, proponendo una teoria a metà strada tra la mitologia greca e le scoperte scientifiche di quel tempo Egli riteneva, come gli stessi Babilonesi, che la Terra fosse piatta e galleggiasse sull’acqua come un pezzo di legno La forma della Terra L'idea di una Terra sferica non venne però generalmente accettata fino all'epoca di Platone (427-348 a.C.). Egli ne dà una dimostrazione filosofica: la Terra è sferica perché la sfera è la forma più perfetta per un corpo, possiede la massima simmetria. LA TERRA, CHE STA AL CENTRO DELL'UNIVERSO, DEVE ESSERE SFERICA. La forma della Terra Aristotele, che visse dal 384 al 322 a.C., aveva messo a punto tre prove sperimentali per dimostrare che la terra era rotonda TEORIA GEOCENTRICA La Terra è al centro dell’Universo Il Sole, la Luna e tutti gli altri pianeti le ruotano attorno Le stelle “fisse” sono contenute in una sfera che ruota anch’essa intorno alla Terra La forma della Terra Tolomeo da Alessandria, intorno al 140 d.C. elaborò la più compiuta sintesi astronomica dell’antichità, passata alla storia come ALMAGESTO. Tolomeo prese spunto dalle teorie, sia dei Babilonesi sia dell’astronomo greco Ipparco, per sostenere la tesi che la Terra era al centro del Cosmo. Tolomeo, inoltre, tramite un sistema di cerchi concentrici fornì un formidabile metodo matematico per calcolare il moto dei pianeti e prevederne la posizione La forma della Terra Niccolò Copernico (1473-1543), un grande astronomo polacco, fu il primo che mise in dubbio il sistema geocentrico di Aristotele e Tolomeo, sostenendo LA TEORIA ELIOCENTRICA Il Sole al centro dell’Universo La forma sferica dell'Universo La sfericità della Terra I moti dei pianeti sono composti da moti circolari uniformi Prove della sfericità della Terra 1. L’angolo che la stella polare forma col piano dell’orizzonte varia con la latitudine. Il fatto che i raggi della stella incidano con angoli diversi sui vari luoghi della Terra prova che la sua superficie è curva e convessa. Prove della sfericità della Terra 2. Variazione dell’orizzonte sensibile (la parte visibile diventa tanto più ampia quanto più l’osservatore si alza dalla superficie). L’orizzonte sensibile limita la porzione di superficie terrestre che riusciamo a guardare intorno a noi. Prove della sfericità della Terra 3. Comparsa o scomparsa di un oggetto; le navi, mano a mano che si allontanano dal punto di osservazione, sembrano scomparire oltre l’orizzonte. 4. Durante le eclissi di Luna l’ombra proiettata dalla Terra sul satellite è circolare (Aristotele). 5. Circumnavigazione del globo (1521, Magellano) 6. Analogia con gli altri pianeti visibili dalla Terra La forma della Terra La Terra non è perfettamente sferica, perché subisce uno schiacciamento a causa della sua rotazione: infatti, il raggio polare è più corto di 21 km di quello equatoriale. La sua forma non è neanche quella di un ellissoide, che è il solido geometrico che si ottiene facendo ruotare un'ellisse intorno al proprio asse minore, perché la sua superficie non è uniforme, ma è irregolare a causa delle deformazioni oceaniche e per la presenza di masse continentali. La forma della Terra Nel 1735 i francesi Charles Marie de La Condamine e Pierre Louis Moreau de Maupertuis, misurando la lunghezza di un arco di meridiano con il metodo delle triangolazioni in due diverse località dimostrarono che la Terra è appiattita ai poli e rigonfia all'equatore. Il suo raggio polare è infatti di 6.356 km e quello equatoriale di 6.378 km. In base a queste considerazioni, è stato elaborato un modello della Terra avente la forma di un ellissoide di rotazione, cioè della figura geometrica che viene generata da un’ellisse ruotante intorno all’asse minore. La forma della Terra L’ellissoide di rotazione (delimitato da una linea blu) è il solido geometrico che di più si avvicina alla vera forma della Terra. Le dimensioni sono: semiasse maggiore : a = 6378 km semiasse minore: b = 6357 km differenza semiassi: (a-b) = 21 km eccentricità e = √ (a²-b²)/a² = 0.083 schiacciamento s = 1/298 La forma della Terra All’inizio del secolo, in considerazione del fatto che la forma effettiva della Terra presenta numerose irregolarità, si pensò di adottare, per la costruzione delle carte, una forma tale per cui su ogni punto della superficie un filo a piombo si disponesse in direzione perpendicolare. Immaginando di unire i punti con lo stesso valore di gravità, si è ottenuto un solido ideale che non assomiglia a nessun solido geometrico e prende il nome di geoide: è molto simile ad un ellissoide di rotazione, ma la sua superficie è una superficie ideale corrispondente alla media dei mari e delle terre emerse (come rappresentato in figura) ed è costituito dall'insieme dei punti in cui la direzione del filo a piombo è perpendicolare alla superficie. La forma della Terra Rispetto all’ellissoide, il geoide si presenta un po’ rigonfio in corrispondenza dei continenti e leggermente depresso in corrispondenza degli oceani. La forma della Terra La forma reale della Terra, dopo misure del suo campo gravitazionale, ricorda quella di una patata. Le dimensioni della Terra Eratostene sapeva che a Siene (l'attuale Assuan, a circa 800 km a sudest di Alessandria), in un momento preciso dell'anno, il sole illuminava il fondo dei pozzi. Questo evento si ripeteva ogni anno a mezzogiorno del solstizio d'estate e dipendeva dal fatto che i raggi del sole cadevano verticalmente. Inoltre, egli notò che ad Alessandria, dove viveva, nello stesso giorno e alla medesima ora i raggi del Sole non erano esattamente perpendicolari, ma formavano un angolo pari a 7,2°con la verticale. Le dimensioni della Terra Eratostene assunse, correttamente, che la distanza del Sole dalla Terra fosse molto grande, pertanto i suoi raggi risultavano praticamente paralleli quando raggiungevano la superficie terrestre. Inoltre, egli considerava che la Terra dovesse avere forma sferica. La differenza di inclinazione di 7,2°dipende dalla curvatura della superficie terrestre che cambia il punto di vista dal quale gli abitanti delle due città vedono il Sole. Le dimensioni della Terra Egli ragionò in questo modo: l'angolo di 7,2°è congruente all'angolo che ha per vertice il centro della Terra e i cui lati passano rispettivamente per Alessandria e Siene. Si tratta quindi di una "distanza angolare" tra le due città, pari a un cinquantesimo dell'angolo giro. Ciò significa anche che la distanza "effettiva" tra le due città (ritenuta di 5.000 stadi) è un cinquantesimo della circonferenza terrestre. Eratostene moltiplicò per 50 questo valore, ottenendo 250.000 stadi: la prima misura scientifica della circonferenza terrestre. Tenuto conto del valore dello stadion, la circonferenza così calcolata corrispondeva a 39.690 km, vicinissima al valore reale di 40.000 km. Le coordinate geografiche Paralleli e Meridiani della superficie terrestre. Sono tutte le circonferenze minori della superficie terrestre ottenute dall’intersezione di piani paralleli al piano dell’equatore. Sono tutte le circonferenze massime passanti per i poli terrestri. Si ottengono dall’intersezione della superficie terrestre con piani contenenti l’asse polare. Le coordinate geografiche Le coordinate geografiche servono per stabilire la posizione assoluta dei luoghi sulla superficie terrestre. La latitudine del punto P è data dall’angolo () corrispondente all’arco di meridiano che congiunge il punto con l’Equatore. La longitudine dello stesso punto P è data dall’angolo () corrispondente all’arco di parallelo che unisce il punto con il meridiano di riferimento. I movimenti della Terra La Terra compie un «insieme» di movimenti. 1. ROTAZIONE 2. RIVOLUZIONE 3. TRASLAZIONE Il moto di rotazione ROTAZIONE TERRESTRE La Terra ruota attorno al proprio asse da ovest verso est in 24 ore VELOCITÀ ANGOLARE (15°/h costante) VELOCITÀ LINEARE V massima all’equatore (463 m/sec) e decrescente dall’equatore ai poli (0 m/sec) V=*r con velocità angolare ed r raggio della traiettoria circolare esprimibile in funzione della latitudine φ e del raggio terrestre Rt v 15*Rt *cos h All’equatore dove = 0° e Rt = 6378 Km V / 12 * 6.378.000m * 1 463,5m / s 3600s Il moto di rotazione PROVE DELLA ROTAZIONE Indirette 1) Apparente spostamento diurno dei corpi celesti da est verso ovest 2) Analogia con gli altri pianeti 3) Schiacciamento polare Dirette 1) Esperienza di Guglielmini 2) Esperienza di Foucault Il moto di rotazione Osservato dal Polo nord celeste, il nostro pianeta ruota in senso antiorario. Osservato dal Polo sud celeste (con la Stella polare dalla parte opposta), il movimento avviene in senso orario. Prove del moto di rotazione L’esperienza di Guglielmini Un corpo libero di muoversi non segue la verticale ma devia verso est, perché durante la caduta mantiene per inerzia la velocità lineare di partenza che dipende dalla distanza dall’asse terrestre. Lo spostamento è massimo all’equatore e minimo ai poli La caduta libera dei corpi, con deviazione dalla verticale del punto di partenza, dimostra l’esistenza della rotazione della Terra. Prove del moto di rotazione L’esperienza di Foucault Rotazione della terra in base allo spostamento apparente del piano di oscillazione del pendolo. Nel Pantheon di Parigi Foucault appese un pendolo lungo 68 m con una massa di 30 kg dotata di una punta, in modo da consentire oscillazioni costanti. Col passare del tempo le tracce lasciate dalla punta ruotavano in senso orario compiendo una rotazione completa in 32 ore. Prove del moto di rotazione L’esperienza di Foucault Poiché il piano di oscillazione di un pendolo è fisso, cioè mantiene la sua posizione nello spazio, Foucault concluse che doveva essere il pavimento a ruotare in senso antiorario seguendo il movimento di rotazione della Terra. Al Polo Nord il piano di oscillazione compirebbe un giro completo in 24 h perché l’asse di rotazione coincide con l’asse del pendolo. Al Polo sud avverrebbe la stessa cosa in senso opposto. All’Equatore il pendolo resterebbe fermo perché il piano di oscillazione sarebbe perpendicolare all’asse di rotazione. A latitudini intermedie l’angolo di rotazione si calcola: Α = 360°* sen Φ Il tempo necessario per una rotazione completa è: t = 24h / sen Φ Conseguenze del moto di rotazione Accelerazione di Gravità L’accelerazione di gravità sulla superficie terrestre aumenta con la latitudine perché procedendo verso i poli si riduce la distanza dal centro della Terra (C), a causa dello schiacciamento polare, e diminuisce il valore della forza centrifuga. L’intensità della forza centrifuga dipende dalla velocità lineare di rotazione, massima all’Equatore e nulla ai Poli. Tale forza è normale all’asse di rotazione terrestre, pertanto all’Equatore si oppone interamente alla forza di attrazione gravitazionale, mentre alle altre latitudini solo una sua componente (Fcn), perpendicolare alla superficie terrestre, agisce contro la forza gravitazionale. Conseguenze del moto di rotazione Legge di Ferrel A causa della diversa velocità lineare di rotazione dei vari punti della superficie terrestre, un corpo che si muove sulla Terra viene deviato dalla sua direzione iniziale (freccia rossa) e sembra descrivere una traiettoria (freccia verde) spostata verso destra rispetto al suo percorso se si trova nell’emisfero boreale, verso sinistra invece se è nell’emisfero australe (Legge di Ferrel). N N La direzione di movimento non varia se il corpo si sposta lungo il medesimo parallelo. Forza di Coriolis Conseguenze del moto di rotazione L’intensità della deviazione aumenta dall’Equatore verso i Poli. La Forza deviante, che è soltanto apparente, è denominata Forza di Coriolis. L’entità della forza deviante è: Fd= 2 v sen ω= velocità angolare v = velocità lineare La velocità lineare non è costante, ma aumenta con la distanza dall’asse e per inerzia un corpo tenderà a mantenere la velocità del punto di partenza. Un corpo che si sposta dall’equatore al polo si troverà in anticipo (v diminuisce ) e si dirige verso est; mentre un corpo che si sposta dal polo verso l’equatore si troverà in ritardo (v aumenta) e devia verso ovest. L’entità della deviazione aumenta procedendo verso i poli. Conseguenze del moto di rotazione Il fenomeno dell’alternarsi del dì e della notte costituisce la più evidente conseguenza del moto di rotazione terrestre, fornendo un ulteriore prova di tale movimento. Il circolo di illuminazione separa la parte della superficie terrestre che guarda verso il Sole da quella opposta. Esso - a causa dell’atmosfera - non è una linea, ma una fascia in cui si verificano i crepuscoli. Conseguenze del moto di rotazione Nell’attraversare i vari strati dell’atmosfera, che hanno densità diversa, i raggi solari subiscono una rifrazione, ossia vengono deviati dalla loro direzione originaria. Poiché la rifrazione ha come risultato l’effetto di innalzare le immagini, vediamo il sole più alto mentre esso si trova 12°- 18° più in basso; pertanto, i raggi solari riescono a colpire anche parte della superficie terrestre che dovrebbe essere invece nell’oscurità completa. Crepuscoli e Aurore Il moto di rivoluzione terrestre La rivoluzione terrestre avviene lungo un’orbita ellittica poco eccentrica. Il moto di rivoluzione terrestre PROVE DEL MOTO DI RIVOLUZIONE Indirette 1) Analogia con gli altri pianeti 2) Apparente spostamento del sole lungo lo zodiaco 3) Periodicità degli sciami meteorici Dirette 1) Aberrazione della luce Prove del moto di rivoluzione terrestre Analogia con le orbite degli altri pianeti. Prove del moto di rivoluzione terrestre Apparente spostamento del sole lungo lo zodiaco Osservando il Sole dalla Terra, sembra che durante l’anno descriva sulla Sfera celeste un circolo massimo, chiamato Eclittica, passando davanti alle 12 costellazioni dello Zodiaco. Prove del moto di rivoluzione terrestre Periodicità degli sciami meteorici Prove del moto di rivoluzione terrestre Aberrazione della luce Un astro non è visto nel posto che realmente occupa nel cielo, ma in una posizione leggermente spostata. Questo fenomeno è chiamato aberrazione della luce. L’angolo di aberrazione è l’angolo fra la direzione vera e quella apparente, risultante tra la velocità di propagazione della luce e la velocità di rivoluzione. La direzione secondo cui un osservatore riceve la luce emessa da una stella è quella della diagonale del parallelogrammo costruito sulla velocità della luce c e la velocità v con cui l’osservatore si muove . La luce viaggia dalla stella al telescopio alla velocità c, l’osservatore si sposta a velocità v e lo spostamento angolare apparente è v/c Il moto di Rivoluzione La Terra descrive un’orbita ellittica intorno al Sole, su un piano immaginario detto eclittica. L’asse di rotazione terrestre è costantemente inclinato di 66°33’ rispetto all’eclittica. La conseguenza più importante è l’alternarsi delle stagioni. Il moto di rivoluzione terrestre Il diverso riscaldamento dei vari luoghi della superficie terrestre dipende dall’inclinazione dei raggi del Sole. A seconda della posizione della Terra rispetto al Sole, cambia l’altezza del Sole sull’orizzonte (in estate raggiunge la massima altezza sull’orizzonte, in inverno la minima) e di conseguenza la quantità di energia che arriva sulla Terra. Maggior energia in estate, quindi più calore; minor energia in inverno a causa dei raggi più obliqui, quindi meno calore. Il moto di rivoluzione terrestre Le zone astronomiche della superficie terrestre. Il moto di rivoluzione terrestre Condizioni di illuminazione della Terra nei giorni degli equinozi. 21 marzo 1. 2. Il circolo d’illuminazione coincide con un meridiano e passa per entrambi i poli; I raggi solari sono perpendicolari all’Equatore. Le ore di luce sono pari alle ore di buio sia nell’emisfero nord che nell’emisfero sud 23 settembre 1. 2. Il circolo d’illuminazione coincide con un meridiano e passa per entrambi i poli; I raggi solari sono perpendicolari all’equatore. Le ore di luce sono pari alle ore di buio sia nell’emisfero nord che nell’emisfero sud. Il moto di rivoluzione terrestre Inclinazione dei raggi solari sulla superficie terrestre nei giorni dei solstizi. 22 dicembre 21 giugno 1. I raggi solari perpendicolari al Tropico del Cancro; 2. Il circolo di illuminazione è tangente ai circoli polari; 3. Il Polo Sud è completamente in ombra mentre il Polo Nord è illuminato per tutte le 24 ore. Nell’emisfero sud si ha la massima durata della notte e la più breve durata del giorno 1. I raggi solari perpendicolari al Tropico del Capricorno; 2. Il circolo di illuminazione è tangente ai circoli polari; 3. Il Polo Nord è completamente in ombra mentre il Polo Sud è illuminato per tutte le 24 ore. Nell’emisfero nord si ha la massima durata della notte e la più breve durata del giorno Il moto di rivoluzione terrestre Il Sole di mezzanotte si può osservare soltanto nei luoghi compresi entro i circoli polari: per tutto l’arco della giornata il Sole si mantiene sopra l’orizzonte. Il moto di rivoluzione terrestre La rivoluzione della Terra intorno al Sole e le attuali posizioni degli equinozi e dei solstizi. I moti millenari La precessione e le nutazioni dell’asse terrestre. L‘asse di rotazione terrestre subisce un lentissimo moto (una rotazione dell'asse attorno alla verticale, simile a quella di una trottola) per cui descrive un cono di 23° 26’ di ampiezza a causa della combinazione di due fattori: la forma non perfettamente sferica della Terra e le forze gravitazionali della Luna e del Sole che, agendo sulla sporgenza equatoriale, cercano di allineare l'asse della Terra con la perpendicolare al piano dell‘eclittica. Il risultato è un moto di precessione che compie un giro completo ogni 25.800 anni circa, durante il quale la posizione delle stelle sulla sfera celeste cambia lentamente. Di conseguenza, anche la posizione dei poli celesti cambia: infatti, tra circa 13.000 anni, sarà Vega e non l'attuale Polaris ad indicare il polo nord sulla sfera celeste. I moti millenari La recessione precessione non è perfettamente regolare, perché la Luna e il Sole non si utazione trovano sempre nello stesso piano e si muovono l'una rispetto all'altro, causando una variazione continua della forza agente sulla Terra. Questa variazione produce il otazione moto di nutazione terrestre. La nutazione è il moto di oscillazione (etimologicamente "un cenno del capo") dell'asse di rotazione. Questa oscillazione, che per la Terra vale circa 3°, viene completata in 41.000 anni. I moti millenari Il moto doppio-conico dell’asse terrestre fa mutare la disposizione nello spazio del piano equatoriale celeste, e quindi determina la rotazione, in senso orario, di 61” di arco all’anno dell’intersezione tra tale piano e il piano dell’Eclittica, ossia della linea degli equinozi. In questo modo si anticipa di 20 minuti ogni anno l’intervallo tra due equinozi di primavera. Fra 10.500 anni nel nostro emisfero il solstizio d’inverno si verificherà quando la terra sarà in afelio. La precessione degli equinozi è un movimento della Terra che fa cambiare in modo lento ma continuo l'orientamento del suo asse di rotazione rispetto alla sfera ideale delle stelle fisse. La Precessione degli Equinozi I moti millenari Lo spostamento della linea degli apsidi. E’ conseguente all’attrazione esercitata sulla Terra dagli altri pianeti. L’asse maggiore si sposta in senso antiorario con un periodo di 117.000 anni facendo perno sul Sole. I moti millenari Variazione dell’eccentricità dell’orbita La variazione dell’eccentricità dell’orbita è causata dall’attrazione esercitata dai pianeti; la sua conseguenza è che l’orbita diventa più o meno allungata per cui varia la distanza afelio-perielio. Eccentricità attuale :0,017 Variazione compresa tra 0,065 a 0,0018 in 92.000 anni minima eccentricità eccentricità attuale massima eccentricità I moti millenari La variazione Variazione dell’eccentricità dell’orbita dell’eccentricità dell’orbita modifica l’intensità delle oscillazioni climatiche dovute alla precessione degli equinozi. A Maggiore è l’eccentricità, maggiore è la differenza tra la massima e la minima distanza della Terra dal Sole: di conseguenza maggiore è l’effetto B della precessione degli equinozi. A-B: massima eccentricità (oggi e tra 10500 anni). C C-D: minima eccentricità (oggi e tra 10500 anni). D I moti millenari Variazione inclinazione dell’asse terrestre È la variazione dell’angolo di 23°27’ che l’asse forma con la perpendicolare al piano dell’eclittica. L’angolo varia, in 40.000 anni, da un minimo di 21°25’ fino ad un massimo di 24°20’ Con il sisma del 26 dicembre 2004 a Sumatra si è verificato uno spostamento dell’asse sul piano che passa per Greenwitch in direzione est-ovest di 5-6 cm (due millesimi di secondo d’arco), di circa 10 cm con quello dell’11 marzo 2011 in Giappone. Lo spostamento è stato rilevato da 40 stazioni dislocate su 5 continenti che inviano un raggio laser al satellite artificiale Lageos 2. I raggi vengono riflessi verso un continente diverso da quello che ha inviato il raggio. I tempi di risposta forniscono i dati sullo spostamento dell’asse terrestre. I moti millenari Una delle conseguenze dei moti millenari è la variazione dell’estensione dei ghiacciai terrestri nelle epoche glaciali e nelle epoche interglaciali. A sinistra: circa 20.000 anni fa, al culmine della glaciazione würmiana. A destra: oggi. L’orientamento Nel nostro emisfero il Sole a mezzodì indica la direzione del Sud e quindi consente di individuare tutti i punti cardinali. L’orientamento La bussola consente di individuare la direzione del Nord magnetico in virtù del campo magnetico terrestre; infatti, la Terra si comporta come un grande magnete (o dipolo magnetico) L’orientamento Poiché i poli magnetici terrestri non coincidono con quelli geografici, l’ago calamitato della bussola non si dispone sempre esattamente lungo il meridiano passante per il luogo. L’angolo fra le due direzioni è detto declinazione magnetica. La declinazione magnetica può essere orientale oppure occidentale, a seconda che la punta dell’ago magnetico devii verso Ovest o verso Est rispetto al meridiano geografico del luogo. La declinazione magnetica è nulla se il punto ricade sul meridiano passante per il polo magnetico L’orientamento La rosa dei venti è la rappresentazione schematica dei punti cardinali Nord, Sud, Est e Ovest nonché delle direzioni da questi determinate. I nomi delle direzioni NE, SE, SO e NO derivano dal fatto che la rosa dei venti era raffigurata, nelle prime rappresentazioni cartografiche del Mediterraneo, al centro del Mar Ionio oppure vicino all'isola di Zante o di Malta. In quella posizione, circa a NE, vi è la Grecia, da cui deriva il nome grecale per la direzione NESO; a SE c’è la Siria, da cui il nome scirocco per la direzione SE-NO; a SO vi è la Libia, da cui il nome libeccio per la direzione SO-NE; infine, per la direzione NO-SE il nome maestrale discende da magister, cioè la direzione da Roma o Venezia, la via maestra dal porto di origine. Le unità di misura del tempo Il tempo che intercorre fra due culminazioni successive del Sole su uno stesso meridiano (giorno solare = 24h circa) è più lungo del tempo occorrente per avere due passaggi consecutivi di una stella sullo stesso meridiano (giorno sidereo = 23h 56m). Le unità di misura del tempo L’anno sidereo (il ritorno della Terra nel punto T dopo una rivoluzione = 365d6h9m10s) è più lungo dell’anno tropico o solare (quando la Terra arriva in T’ = 365d5h48m46s) perché la linea degli equinozi ruota (di un angolo piccolissimo in senso orario, per la precessione degli equinozi = -20 minuti/anno). Il tempo vero, il tempo civile e i fusi orari A causa della rotazione terrestre, l’ora locale, stabilita riferendosi al Sole, varia con la longitudine. Il tempo vero, il tempo civile e i fusi orari La suddivisione della superficie terrestre nei 24 fusi orari. Copyright © 2008 Zanichelli editore