Scuola di Scienze e Tecnologie
L-32 / L-34 – Scienze geologiche, dell’ambiente e della natura
Corso di “Geografia fisica”
Modulo “Fisica dell’atmosfera e dell’Idrosfera”
Prof. Carlo Bisci
01 – Il Sistema Solare e la Terra
L’Universo
L’origine dell’Universo non è
ancora del tutto ben chiara; la
maggior parte degli Astronomi
ritiene comunque che abbia avuto
inizio circa 12-15 miliardi di anni fa
(big bang).
La quasi totalità dell’Universo è
data dal vuoto pressoché assoluto,
entro il quale sono presenti oltre
un miliardo di Galassie, ciascuna
formata da decine o centinaia di
miliardi di stelle di diverso tipo,
intorno a ciascuna delle quali sono
orbitano pianeti (a loro volta aventi
spesso satelliti).
La nostra Galassia è la Via Lattea, un insieme grossomodo lenticolare che comprende
circa 100 miliardi di stelle ed ha un diametro di circa 100’000 anni luce e uno spessore
massimo di circa 10’000 anni luce (1 anno luce = circa 10’000 miliardi di Km).
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Le stelle
Le stelle sono corpi all’incirca
sferoidali di plasma che
generano energia tramite
processi di fusione atomica,
emettendo così una
radiazione “luminosa”
(Radiazione
ElettroMagnetica – REM).
Le stelle sono in genere
classificate in funzione della
loro massa ed alla loro
luminosità (diagramma di
Hertzsprung-Russell).
Le stelle, perdendo progressivamente massa, si modificano scendendo lungo la
“sequenza principale”.
Il nostro Sole è una stella di medie dimensioni e luminosità
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Il sistema solare
Il Sistema Solare è composto dal Sole e da 9 pianeti principali orbitanti intorno ad
esso, oltre che da comete, asteroidi e pianetini minori; la Terra è il terzo pianeta più
vicino al Sole. Plutone è l’unico pianeta ad avete un piano d’orbita diverso dagli altri.
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Attrazione gravitazionale terrestre
L’attrazione gravitazionale - di verso centripeto, ovvero rivolto verso il centro di massa
degli oggetti - fa sì che gli oggetti isolati liberi di deformarsi vengano ad assumere la
forma di una sfera (superficie equipotenziale della gravità, ovvero luogo dei punti in
cui la forza di gravità è identica).
Al livello del mare l’accelerazione di
gravità terrestre è pari a circa 9.78
m/s2 (1g).
Tutti gli oggetti posti sulla superficie
terrestre sono soggetti all’attrazione
gravitazionale (verso il basso); per
cui tanto più la loro posizione è
elevata tanto maggiore sarà la loro
energia potenziale, ovvero la loro
possibilità di scendere verso il basso,
superando le forze resistenti (di
attrito, coesione o adesione).
L’energia potenziale
progressivamente persa scendendo
viene trasformata in energia cinetica.
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La Terra
L’attrazione gravitazionale della Terra, fa quindi sì che la superficie terrestre e i vari
strati dell’Atmosfera vengano (in prima approssimazione) ad assumere la forma di una
sfera. In realtà, a causa di altri fattori, la sua vera forma è più complessa.
Il diametro terrestre
(medio) è pari a circa
12’746 Km.
La Terra (Litosfera e
Idrosfera) è circondata
dall’Atmosfera, avente
densità decrescente con la
quota, di cui tre quarti della
massa sono compresi entro
i primi 10 Km circa di
spessore.
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Asse ed Equatore terrestri
La Terra ruota intorno al proprio asse (asse di rotazione terrestre) determinando in tal
modo l’alternarsi di diverse condizioni di illuminazione da parte del Sole.
I Poli sono l’intersezione di tale asse con la superficie terrestre
L’Equatore è il circolo
massimo individuato
perpendicolarmente
all’asse di rotazione e ha
una lunghezza di circa
40’075 Km
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Latitudine e longitudine
Per identificare la posizione
di oggetti posti sulla
superficie terrestre si fa
innanzitutto uso delle
coordinate geografiche,
ovvero della distanza
angolare dall’Equatore,
detta Latitudine, e della
distanza angolare da un
circolo massimo di
riferimento passante per i
Poli (convenzionalmente,
quello passante per
l’Osservatorio Astronomico
di Greenwich, a S di
Londra), detta Longitudine.
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Meridiani e paralleli
Tutti i circoli massimi passanti per i Poli e orientati secondo le varie longitudini Est ed
Ovest sono detti Meridiani
Tutti i circoli individuati
dall’intersezione sulla sfera
terrestre di piani paralleli
all’Equatore a varie latitudini
Nord e Sud sono detti Paralleli.
Di essi, solo l’Equatore è un
circolo massimo, dato che il loro
raggio decresce andando verso i
Poli in funzione del coseno della
Latitudine
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Moto dei pianeti e dei satelliti - 1
I pianeti si orbitano intorno alle loro stelle perché risentono della loro enorme forza di
gravità; il loro moto è stato definito dalle tre leggi di Keplero nel 1608 :
1) L’orbita descritta da un pianeta è un’ellisse di cui il Sole occupa uno dei due fuochi;
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Moto dei pianeti e dei satelliti - 2
I pianeti si orbitano intorno alle loro stelle perché risentono della loro enorme forza di
gravità; il loro moto è stato definito dalle tre leggi di Keplero nel 1608 :
1) L’orbita descritta da un pianeta è un’ellisse di cui il Sole occupa uno dei due fuochi;
2) Il raggio vettore che unisce il centro del Sole con il centro del pianeta descrive aree
uguali in tempi uguali (velocità areolare costante);
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Moto dei pianeti e dei satelliti - 3
I pianeti si orbitano intorno alle loro stelle perché risentono della loro enorme forza di
gravità; il loro moto è stato definito dalle tre leggi di Keplero nel 1608 :
1) L’orbita descritta da un pianeta è un’ellisse di cui il Sole occupa uno dei due fuochi;
2) Il raggio vettore che unisce il centro del Sole con il centro del pianeta descrive aree
uguali in tempi uguali (velocità areolare costante);
3) I quadrati dei tempi che i pianeti impiegano a percorrere le loro orbite sono
proporzionali ai cubi delle loro distanze medie dal Sole.
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Moto dei pianeti e dei satelliti - 4
Le Leggi di Keplero assumono come trascurabile la massa dei pianeti e dei loro
satelliti.
In condizioni reali, il moto dei pianeti risulta quindi più complesso, data la reciproca
interferenza dei loro campi gravitazionali.
Le Leggi di Keplero possono anche essere dedotte applicando i principi della Dinamica
(Equazioni di Newton).
Nella Teoria della Relatività generale di Einstein, le Leggi di Keplero vengono riviste
supponendo (per semplificare) che solo il corpo più pesante (il Sole) contribuisca alla
curvatura dello spazio-tempo inteso come pseudo-spazio di Riemann a 4 dimensioni
(soluzione di Schwarzschild).
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Moti della Terra - Rivoluzione
La Terra compie una rivoluzione completa intorno al Sole lungo il piano dell’eclittica in
un anno tropico (o anno solare), ovvero ogni circa 365.24 giorni.
Il momento in cui la Terra intercetta l’asse maggiore (linea degli apsidi) della sua orbita
nella posizione più vicina al Sole è detto perielio (intorno al 3 gennaio),quello in cui è
alla massima distanza è detto afelio (intorno al 4 luglio).
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Moti della Terra - Rotazione
La Terra ruota anche intorno al proprio asse, con verso antiorario visto da Nord,
ritornando nella stessa posizione rispetto al Sole in un giorno solare (valore medio di
24 ore; il giorno solare vero ha durata variabile massima all’afelio e minima al perielio).
La durata del giorno solare aumenta di circa 0.2”ogni anno.
Dato che mentre
ruota intorno al
proprio asse la Terra
percorre anche un
tratto della sua
orbita intorno al Sole
(nel medesimo
verso), il tempo
impiegato per
tornare nella stessa
posizione rispetto
alle stelle “fisse” è un
po’ più breve (giorno
siderale, pari a circa
23h 56‘4.1“)
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Moti della Terra – Effetti della rotazione
La rotazione terrestre produce una forza centrifuga la cui entità è proporzionale alla
distanza tra la superficie terrestre e il suo asse di rotazione (ovvero al coseno della
latitudine) e la cui direzione è ortogonale all’asse di rotazione.
Questa forza centrifuga
interagendo con
l’attrazione
gravitazionale la riduce
progressivamente
andando dai Poli verso
l’Equatore.
Di conseguenza, la
Litosfera (e ancor più
l’Idrosfera e l’Atmosfera,
più facilmente
deformabili) assumono
la forma di un ellissoide
di rotazione schiacciato
ai Poli.
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La forma della Terra
In realtà, la forza di gravità non è perfettamente isotropa rispetto al centro della Terra
a causa della diversa densità (massa per unità di volume) dei suoi costituenti.
Di conseguenza, la vera forma della superficie equipotenziale della gravità terrestre
non è descrivibile con una formula semplice (come una sfera o un ellissoide di
rotazione), risultando più sollevata in corrispondenza degli oceani e più depressa in
corrispondenza delle terre emerse, nonché localmente complicata da anomalie
gravimetriche (Geoide).
Da questo consegue anche che, in genere, la direzione della forza di gravità non
interseca il centro della Terra (e neppure l’asse terrestre).
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Moti della Terra – Misura del tempo
La radiazione solare illumina in ogni istante metà della Terra, lasciando l’altra metà in
ombra. In conseguenza del moto di rotazione della Terra, il limite tra la zona illuminata
e la zona in ombra si muove da Est verso Ovest, con ciclo di 24 h.
Facendo riferimento al momento in
cui il Sole raggiunge la sua massima
altezza sull’orizzonte (mezzogiorno)
ciascun meridiano ha quindi, in ogni
istante, un “orario” differente: più
in ritardo ad Ovest e più in anticipo
ad Est.
mezzogiorno
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Moti della Terra – Fusi orari
Per comodità, si sono raggruppate zone contigue per longitudine creando 24 fusi orari,
entro ciascuno dei quali l’ora è la stessa ovunque. Intorno all’antimeridiano di
Greenwich, si hai poi la linea internazionale del cambiamento di data
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Moti della Terra – Inclinazione dell’asse terrestre
L’asse di rotazione terrestre è inclinato rispetto alla normale al piano dell’eclittica di
circa 23.27° (valore attuale, in diminuzione; variabile nel tempo tra circa 22.5° e 24.5°
con periodo di circa 41’000 anni).
La direzione di tale inclinazione varia a sua volta con ciclo di circa 25’800 anni (52” / y).
Dalla combinazione
del moto di
rivoluzione e di
rotazione intorno
all’asse inclinato
deriva che la Terra
riceve diversamente
la radiazione solare
nel corso dell’anno
(stagioni
astronomiche)
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Moti della Terra – Equinozi e solstizi
I momenti in cui la radiazione solare incide perpendicolarmente all’Equatore sono
detti equinozi, quelli in cui essa invece incide perpendicolarmente alla massima
distanza dall’Equatore (ovvero, ai Tropici) sono detti solstizi.
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Moti della Terra – Stagioni
In funzione
dell’inclinazione dell’asse
terrestre rispetto alla
congiungente Terra-Sole,
la radiazione solare
incide quindi
diversamente alle diverse
latitudini nei vari
momenti dell’anno,
dando luogo al ciclo delle
stagioni climatiche.
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Moti della Terra – Paralleli notevoli
L’Equatore, oltre a essere
l’unico parallelo che
rappresenta un circolo
massimo, è il luogo ove
agli equinozi il Sole a
mezzogiorno incide
perpendicolarmente.
I Tropici sono i paralleli
lungo cui il Sole a
mezzogiorno incide
perpendicolarmente
durante i solstizi.
I circoli polari sono i
paralleli lungo cui il Sole
è tangente ai solstizi;
l’area compresa
all’interno dei circoli
polari per almeno un
giorno l’anno non riceve
insolazione solare diretta.
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Moti della Luna
Anche la Luna, unico satellite naturale della Terra avente un diametro di circa 3’474 km
e una gravità pari a circa 1.62 g, ruota intorno alla Terra seguendo le Leggi di Keplero.
Il suo ciclo orbitale rispetto alle stelle fisse (mese siderale) è pari in media a circa
27.32 giorni (27gg 7h 43’ 4.7”). Dato però il contemporaneo moto di rivoluzione della
Terra, il ciclo orbitale della Luna rispetto al Sole (mese sinodico) è in media di circa
29.53 giorni (29gg 12h 44’ 2.9”)
La Luna ha a un moto di rotazione intorno al proprio asse con un periodo praticamente
uguale al mese siderale, per cui mostra alla Terra sempre la stessa faccia.
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Fasi lunari
In conseguenza della sua
rivoluzione intorno alla Terra,
la Luna mostra nel corso del
mese sinodico una sistematica
variazione della sua
illuminazione da parte del sole,
dando luogo al ciclo delle fasi
lunari.
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