Le Scienze della Terra.
Lo studio del nostro pianeta implica:
1. la continua ricerca di luoghi in cui abitare;
2. la necessità di ricavare dall’ambiente circostante risorse necessarie o utili per vivere;
3. il desiderio di sapere e di esplorare, la curiosità innata nell’uomo;
Scoprire la natura, la struttura profonda, i “meccanismi” che fanno muovere il pianeta
Ricostruire la storia di un passato che si perde in ere lontanissime
Interessamento prima occasionale, poi sistematico e scientifico:
intuizioni geniali di alcuni studiosi come Pitagora, Plinio, Leonardo da Vinci
Grazie all’invenzione di strumenti e mezzi di osservazione e studio, nel ‘700 - ‘800
nasce la GEOLOGIA = “discorso sulla Terra” =
la scienza che studia l’evoluzione della Terra e
i processi naturali che avvengono al suo interno e sulla sua superficie.
Dal ramo della Geologia, ormai fiorita nel ‘900, si sviluppano altre discipline “di frontiera”, nate al
confine con altre scienze, come la GEOFISICA, la GEOCHIMICA o la PALEONTOLOGIA, che
insieme alla geologia stessa costituiscono la Geonomìa, che mostra competenze puramente
conoscitive, ma anche di interesse applicativo.
Le Scienza della Terra vengono definite in questo modo per almeno tre motivi:
1. come ogni scienza affianca l’aspetto descrittivo all’aspetto sperimentale per l’analisi dei
processi chimici, fisici e biologici. La conoscenza scientifica inizia dall’osservazione di
fenomeni reali e dei loro intrecci, quando l’uomo si pone delle domande circa la natura
circostante; seguono poi ipotesi, leggi e infine teorie scientifiche universalmente valide
(metodo scientifico).
1
2. tiene in considerazione l’aspetto geologico del rapporto uomo-Terra, cercando di analizzare
la concezione umana e la realtà fisica (fonti di energia e materie prime) per una gestione
razionale delle risorse.
3. analisi dei problemi ambientali più o meno imprevisti e calamitosi, dei rischi irreversibili
geologici e delle conseguenze dell’attività umana sull’ambiente naturale.
Esse appartengono, comunque, all’insieme delle Scienze naturali, definite così perché hanno
come oggetto di studio il mondo materiale, organico e inorganico, diversamente dalle Scienze
umane che hanno come oggetto specifico l’attività dell’uomo.
La Terra come sistema integrato.
La moderna Geologia ha come scopo la ricostruzione dell’intera evoluzione della Terra. La
Terra, costituita da una grande varietà di materiali, non è un semplice aggregato ma è un
sistema integrato = un insieme di componenti, ciascuno con una propria individualità, che
interagiscono, però, strettamente tra loro attraverso una complessa serie di processi fisici,
chimici e biologici.
Nel caso del sistema Terra tali componenti si possono considerare come involucri a stretto
contatto tra loro:
1.
la TERRA SOLIDA (litosfera): massa costituente la maggior parte del pianeta, formata
essenzialmente da minerali e rocce. Si estende dalla superficie delle terre emerse sino al
fondo degli oceani, ancora in profondità per decine di km.
2. l’IDROSFERA: coltre di acque che ricopre il 71% della superficie del pianeta con oceani,
mari, acque dolci dei fiumi, dei laghi e del sottosuolo.
All’idrosfera appartiene anche la CRIOSFERA, cioè l’insieme delle acque allo stato
solido delle grandi calotte glaciali.
3. l’ATMOSFERA: involucro gassoso che avvolge e protegge la terra e che si manifesta in
modo vistoso nei grandi ammassi e vortici di nubi.
4. la BIOSFERA: insieme degli organismi viventi presenti in terraferma, mare e atmosfera.
Questi involucri sono andati via via formandosi nel corso della lunga storia della Terra e sono legati
indissolubilmente da una serie di complesse interazioni in equilibrio dinamico, un equilibrio che
viene rinnovato continuamente.
2
I metodi e gli strumenti di studio.
Le numerose discipline in cui si articolano le Scienze della Terra richiedono strumenti sempre più
precisi e in grado di approfondire l’oggetto di analisi. Ecco alcuni esempi:
rilevamento geologico: raccolta di dati, misure, osservazioni “sul terreno”.
Analisi in laboratorio (microscopio ottico ed elettronico).
Aerofotografie e immagini via satellite (telerilevamento) per rilevare le caratteristiche più o
meno superficiali della litosfera, dell’idrosfera e dell’atmosfera.
Ultrasuoni per penetrare nelle profondità dell’idrosfera.
Navi oceanografiche per prelevare addirittura campioni di rocce dai fondali oceanici e per
studiarne l’evoluzione.
Indagini geofisiche (in particolar modo sismiche) per studiare l’interno del nostro pianeta
la cui struttura e dinamica influenza i fenomeni geologici superficiali.
Aspetti geologici dei rapporti tra l’uomo e la terra.
Le comunità umane trovano nel pianeta le risorse per la loro sopravvivenza e per le attività in
continua crescita. Talvolta, però, si crea una situazione di competizione tra l’uomo e l’ambiente
fisico in cui esso vive: in queste circostanze si parla di problemi ambientali.
Questi ultimi sono generalmente riferiti a
Fonti di energia non rinnovabili
Fonti di energia rinnovabili
Materie prime
Le fonti di energia non rinnovabili.
Le fonti di energia più sfruttate dall’uomo sono rappresentate da alcuni materiali che si sono
accumulati attraverso processi geologici della durata di alcune decine di milioni di anni. Tali
processi sono tuttora in atto, ma seguendo una rapidità nettamente inferiore alla rapidità con cui i
materiali stessi vengono consumati dall’uomo. Dal momento che tali sostanze sono in via di
esaurimento, si dicono non rinnovabili. Le principali fonti non rinnovabili sono:
I combustibili fossili (carbone, petrolio, gas naturale) che per mezzo della combustione
producono energia;
I combustibili nucleari (uranio e torio) che, attraverso il processo fisico del decadimento
radioattivo (fissione), si trasformano lentamente in altri elementi e liberano, così, energia.
3
Le fonti di energia rinnovabili.
Il problema sempre più sentito delle fonti di energia in via di esaurimento ha indotto alla ricerca di
fonti di energia rinnovabili, cioè non esauribili.
L’energia geotermica: associata al flusso di calore che continuamente risale dall’interno della
Terra. Tale energia non è propriamente rinnovabile, ma è certo che il calore interno del pianeta
continuerà ad esistere molto a lungo.
L’energia solare: tiene in continua vita e attività l’atmosfera, l’idrosfera e la biosfera.
L’applicazione è tuttora abbastanza costosa a livello privato e industriale ma in fase di
espansione.
L’energia idraulica: si ottiene facendo compiere un salto forzato all’acqua raccolta sul fondo di
valli chiuse da sbarramenti artificiali (dighe) .
L’energia delle maree.
L’energia eolica: utilizza direttamente la forza dei venti.
L’energia delle biomasse: materia organica (vegetale e animale) presente nella biosfera,
utilizzata come combustibile da ardere.
Materie prime dalla litosfera.
Oltre alle fonti di energia l’uomo trova in natura anche fonti di materie prime, cioè di quei
materiali che, usati direttamente, così come si presentano, oppure dopo opportune trasformazioni,
sono alla base di molteplici attività. Come le risorse di energia, anche quelle di materie prime sono
un prodotto dell’incessante attività del pianeta (RISORSA: quantità di un certo materiale
disponibile sulla Terra. RISERVA: quantità di risorsa che può essere sfruttata con mezzi
disponibili).
Ad esempio, i giacimenti minerari sono concentrazioni locali, in superficie o all’interno della
crosta terrestre, di materiali economicamente sfruttabili:
Accumuli di idrocarburi e di carboni fossili, benché siano considerati risorse energetiche.
Rocce sedimentarie di materiali diversi, accumulati per il movimento di sostanze dovuto a
venti, maree, corsi d’acqua…( le risorse sono legate alla propria litogenesi).
Rocce magmatiche, formate per il raffreddamento del magma che risale dall’interno alla
superficie della Terra durante un’eruzione vulcanica (es.granito).
Giacimenti di grande interesse industriale (ferro, piombo, zinco, rame e oro).
Giacimenti di pietre preziose (diamanti, smeraldi, topazi, rubini).
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Le nuove frontiere sono attualmente i fondi oceanici, sui quali sono stati rilevati noduli
polimetallici, ricchi di manganese, ferro, cobalto, nichel…. Anche se lo sfruttamento di tali risorse
è tuttora assai difficile, le risorse sono immense.
Lo studio dei problemi ambientali.
Nel campo di indagine delle Scienze geologiche rientrano i problemi ambientali. Tra questi
ricordiamo
i rischi geologici, come quello sismico o quello vulcanico
i rischi legati ai fenomeni franosi e all’erosione costiera, due gruppi di processi naturali che
però sono spesso innescati da interventi antropici sul territorio effettuati ignorando ogni
conoscenza geologica e che inducono alla perdita totale del suolo.
la desertificazione.
l’inquinamento dell’atmosfera e dell’idrosfera, che sta assumendo dimensioni planetarie.
L’immissione non regolata e razionale, nell’aria e nelle acque, di sostanze in quantità e
concentrazioni tali da modificare notevolmente la biosfera, produce conseguenze assai
dannose e irreversibili.
Conoscere la Terra per viverci meglio.
Il rapporto uomo-natura sta assumendo spesso aspetti di conflitto: ciò accade quando le attività
dell’uomo ignorano i processi naturali che regolano gli equilibri nel sistema Terra. Nel caso dello
sfruttamento delle risorse, per esempio, la mancanza di una pianificazione globale ci sta ponendo
di fronte a due aspetti drammatici: il graduale esaurimento delle risorse (per quelle non
rinnovabili o rinnovabili in tempi molto lunghi) e l’impatto ambientale legato al recupero e alla
lavorazione delle materie prime.
Un corretto rapporto uomo-pianeta si deve basare sulla conoscenza e sul rispetto dei processi che
guidano l’evoluzione naturale del pianeta, di cui siamo parte integrante, soggetti ma anche oggetti.
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IL PIANETA TERRA
GEODESIA: scienza che studia la forma della Terra, le sue dimensioni e i metodi per
determinare la posizione dei punti sulla sua superficie
GEOGRAFIA
GEOGRAFIA ASTRONOMICA
SCIENZE DELLA TERRA
dipendono dalla forma,
dalle dimensioni e dai
movimenti del nostro pianeta
nello spazio
Comprendere le
relazioni
fondamentali fra
Terra – Sole
– corpi celesti
influenzano i fenomeni
fisici e biologici operanti
sulla superficie terrestre
La forma della Terra.
La forma della Terra non può essere determinata matematicamente, ne è perfettamente
identificabile con quella di un solido geometrico: è una forma del tutto propria e particolare.
I popoli delle civiltà più antiche, nell’impossibilità di abbracciare con lo sguardo diretto l’intera
forma della Terra, ebbero l’idea che essa fosse piana e poco estesa, simile a un grande disco
circondato dall’oceano e limitato superiormente dalla cupola del firmamento.
L’area che riusciamo ad abbracciare con lo sguardo è sempre limitata da una linea
grossolanamente circolare, cha chiamiamo orizzonte sensibile, lungo la quale sembra che la volta
celeste si congiunga con il suolo o con il mare.
Nel V sec. a.C. Pitagora, su presupposti teorici, giunse al riconoscimento della sfericità della Terra.
Il Medioevo rivide l’idea della Terra piatta farsi strada, ma nell’Umanesimo, con la riscoperta degli
studi di Aristotele e Tolomeo, si confermò la forma sferica.
Lo sviluppo delle conoscenze seguì il presente iter:
Curvatura della superficie terrestre
Sfericità d’insieme del pianeta
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Forma ellissoidale della Terra
Definizione di un solido speciale, detto geoide.
Ecco le prove di valore storico che documentano la sfericità della Terra:
1. l’orizzonte va aumentando di diametro con il crescere dell’altitudine del punto di
osservazione. L’orizzonte sensibile limita la porzione di superficie terrestre che
riusciamo ad abbracciare con lo sguardo, in ogni direzione intorno a noi. Poiché la
Terra ha una forma curva e convessa, questo limite è dato dalla linea lungo la quale
le visuali dell’osservatore sono tangenti alla superficie terrestre; quindi, l’orizzonte
sensibile si presenta come un circolo che aumenta di estensione con l’aumentare
dell’altezza del punto di osservazione.
2. i raggi di una stessa stella incidono in angoli diversi sui vari luoghi della Terra.
L’altezza della Stella Polare, ossia l’angolo che i suoi raggi formano con il piano
dell’orizzonte, varia col variare della posizione dell’osservatore sulla superficie
terrestre. L’altezza aumenta se ci si sposta verso Nord e diminuisce, fino a che la
stella scompare del tutto, se si procede verso sud. Se la Terra non fosse pressoché
sferica, l’altezza della Stella Polare sarebbe sempre la stessa in ogni punto della
superficie terrestre.
3. la gravità agisce approssimativamente secondo i raggi di una sfera. Diversi valori
della forza di gravità stanno a testimoniare che vari punti della superficie terrestre
si trovano a diversa distanza dal centro ( osservazioni gravimetriche).
4. l’analogia con gli altri pianeti.
5. durante le eclissi di Luna, la Terra si interpone tra il Sole e la Luna e proietta su
quest’ultima un’ombra dal contorno pressoché circolare.
Naturalmente, quando si parla della sfericità della Terra, non si tiene conto delle irregolarità della
superficie, che alterano la forma geometrica in modo impercettibile rispetto alla superficie, al
volume e alla massa totali: il monte Everest (8 872 m) corrisponde a 1/700 del raggio terrestre.
Se la Terra fosse omogenea e immobile, la sua forma sarebbe una sfera perfetta: in realtà, essa non
è omogenea ed è caratterizzata da un moto di rotazione attorno al proprio asse. La forza centrifuga
che si genera determina una progressiva deformazione del pianeta, deprimendolo ai poli e
rigonfiandola lungo il piano equatoriale, ossia in corrispondenza del piano perpendicolare all’asse
e passante per il suo centro.
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La forma che ne risulta è poco dissimile da quella di un ellissoide di rotazione (o sferoide), un solido
che si ottiene facendo ruotare idealmente un’ellisse attorno al suo asse minore.
L’asse minore dell’ellissoide terrestre è identificabile con la distanza fra i due poli (asse polare),
mentre asse maggiore dovrebbe corrispondere al diametro dell’Equatore terrestre, ossia al
diametro della circonferenza determinata dall’intersezione di un piano perpendicolare all’asse, e
passante per il centro, con la superficie della Terra. Recenti studi hanno dimostrato che l’equatore
non è perfettamente circolare, pertanto si potrebbe parlare di ellissoide a tre assi, nel quale i due
assi equatoriali differiscono per poche centinaia di metri.
In base agli studi geodetici si è deciso di identificare la forma del nostro pianeta con quella di un
solido la cui superficie è perpendicolare in ogni suo punto alla direzione del filo a piombo; al corpo
delimitato da tale superficie è stato dato il nome di geoide.
La superficie del geoide è equipotenziale, poiché in ogni punto è uguale il lavoro compiuto per
allontanare a distanza infinita un determinato oggetto.
Teoricamente il geoide può essere immaginato come la figura che la Terra assumerebbe se si
considerasse come parametro il livello medio del mare, colmando le eventuali depressioni e
cancellando tutti i rilievi.
Rispetto all’ellissoide, il geoide si presenta un po’ rigonfio in corrispondenza dei continenti e
leggermente depresso in corrispondenza degli oceani (la differenza è di circa 120 m). Per utilizzare
il termine “ellissoide” bisognerebbe parlare di un poliedro terrestre, cioè di un ellissoide
sormontato da rilievi che hanno posizioni ed altitudini conosciute.
Le alterazioni della superficie conferiscono alla Terra un aspetto piriforme.
Le dimensioni della Terra.
Non appena fu risolto il problema della forma della Terra, lo studio si concentrò sulle dimensioni
del pianeta: Eudosso di Cnido e Dicearco da Messina realizzarono formule e calcoli appositamente
per determinare le dimensioni della Terra, Eratostene di Cirene, invece, determinò la lunghezza
della circonferenza meridiana terrestre, tenendo conto dell’ampiezza degli angoli che i raggi del
sole formano con la superficie terrestre.
Nel 1671 l’astronomo Picard misurò l’arco di meridiano (circolo massimo passante per i poli)
congiungente Amiens con Mahoisine (Parigi).
Oggi non ci si limita a formule geometriche o trigonometriche, ma si utilizzano anche strumenti
ottici ad alta precisione e le osservazioni geodetiche.
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Dalla misura della Terra alla misura degli oggetti.
Lo schiacciamento polare della Terra era già stato messo in evidenza verso la fine del XVII secolo,
mediante osservazioni sul moto oscillatorio del pendolo compiute dall’astronomo francese Richer:
dopo aver regolato un pendolo a Parigi, lo trasferì nella Guaiana francese e si accorse che
presentava oscillazioni più lente.
Poiché il periodo T di oscillazione di un pendolo è inversamente proporzionale al valore
dell’accelerazione gravitazionale (T = 2п √l/g), il fenomeno fu attribuito alla diminuzione della
forza gravitazionale nella zona equatoriale.
Le più recenti misure astrogeodetiche hanno permesso di determinare i dati riportati nella tabella,
cioè le dimensioni approvate dall’Unione Geodetica Internazionale, che ha deciso di assumere
come forma della terra il cosiddetto ellissoide internazionale (ottenuto mediando i rigonfiamenti e
le depressioni della superficie terrestre e utilizzando come riferimento il geoide).
Le dimensioni della Terra costituiscono la base del Sistema Metrico Decimale, fissato nel 1793
dall’Accademia delle Scienze di Parigi: è stato così stabilita l’unita del metro, definito come la
40milionesima parte del meridiano terrestre. Il campione, in iridio e platino, è indeformabile, non
attaccabile dagli agenti atmosferici, conservato alla T di 20 °C , nell’Archivio Nazionale di Pesi e
Misure di Parigi.
Bisogna tener presente, però, del fatto che
1. i meridiani non sono perfettamente uguali tra loro.
2. a causa dei cambiamenti morfologici della Terra, la lunghezza di un meridiano non si
mantiene costante nel tempo.
Quindi, è stato stabilito dagli scienziati metrologi, come nuovo metro più rigoroso, la distanza
percorsa nel vuoto dalla luce di un laser a elio-neon nell’intervallo di tempo di 1/299 792 458 di
secondo.
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secondo l’ellissoide internazionale
Raggio max equatoriale (a)
m 6 378 388
Raggio min polare (b)
m 6 356 912
Schiacciamento polare (a-b)/a
1/297
Superficie tot. della Terra
Km2 510 000 000
Superficie delle terre emerse
Km2 149 400 000
Superficie degli oceani
Km2 360 700 000
Massa della Terra
Massa volumica della Terra (densità)
Accelerazione di gravità sulla superficie terrestre
g 5,976 . 1027
g/cm3 5,52
m/sec2 9,81 (valore normale)
Le coordinate geografiche e le coordinate celesti.
Per poter localizzare un punto sulla superficie terrestre, si è assunto un sistema di riferimento
preciso: su una sfera, detta sfera terrestre, figura dalla quale la Terra discosta di poco, si è tracciato
un reticolato geografico, costituito da una rete di linee immaginarie.
Ecco le linee che sono state identificate:
asse terrestre: luogo geometrico dei punti per cui è nulla la forza centrifuga.
equatore: circonferenza massima equidistante dai poli, ottenuta sezionando la Terra con un
piano perpendicolare all’asse terrestre, passante per il centro del pianeta. L’equatore divide
la Terra in due emisferi: quello settentrionale o boreale, dalla parte del Polo Nord e quello
meridionale o australe, dalla parte del Polo Sud
meridiano: semicirconferenza definita sezionando la superficie terrestre con un piano
perpendicolare all’equatore e contenente l’asse terrestre. Ciascun meridiano presenta il suo
corrispondente antimeridiano.
parallelo: circolo individuato sezionando la superficie terrestre con piani paralleli
all’Equatore.
Naturalmente, essendo delle linee immaginarie, i paralleli e i meridiani sono in numero
infinito; tuttavia si prendono in considerazione i meridiani di grado e i paralleli di grado,
cioè quelli tracciati a distanza di un grado l’uno dall’altro: pertanto, i meridiani di grado
sono 360 e i paralleli di grado sono 180, 90 dei quali a Nord e 90 a Sud dell’Equatore,
comprendendo i due Poli, che non sono circoli veri e propri, bensì punti.
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Il reticolato geografico permette di individuare la posizione assoluta di un punto sulla
superficie terrestre, non quella relativa alla posizione dell’osservatore.
Così sono state definite le coordinate geografiche:
1. latitudine: (corrispondente all’ordinata) = distanza angolare di un punto dall’Equatore.
Essa può essere Nord o Sud.
Corrisponde all’ampiezza dell’angolo al centro della Terra, che sottende l’arco di meridiano
congiungente il punto considerato con l’Equatore.
È 0° all’Equatore; è 90° al valore massimo ai poli.
2. longitudine: (corrispondente all’ascissa) = distanza angolare di un punto da un meridiano,
misurata sull’arco di parallelo che passa per quel punto. Essa può essere Est o Ovest. Come
meridiano di riferimento si considera quello passante per Greenwich (Londra) oppure
quello di Monte Mario (Italia), distante dal precedente di 12° 27’ Est.
Corrisponde all’ampiezza dell’angolo al centro della Terra, che sottende l’arco di parallelo
congiungente il punto considerato con il meridiano di riferimento.
È 0° al meridiano di riferimento; è 180° al valore massimo sull’antimeridiano corrispondente.
A causa dello schiacciamento polare, la lunghezza dell’arco di un grado di latitudine (o di
meridiano) va crescendo dall’Equatore ai poli e si è calcolato che in media è 111,121 km. La sua
sessantesima parte, cioè 1852 m, rappresenta la lunghezza dell’arco di meridiano di 1’ e
corrisponde al miglio marino e geografico (miglio terrestre=1609m).
La lunghezza di un grado di longitudine è estremamente variabile perché i paralleli non sono uguali
fra loro: tale lunghezza di un parallelo varia da 111,324 km all’Equatore e si riduce a 0 ai poli.
Le coordinate celesti servono per stabilire la posizione assoluta degli astri sulla Sfera celeste, come
la latitudine e la longitudine per i punti della superficie terrestre.
Basta immaginare la Terra come puntiforme e pensare che sulla Sfera celeste siano tracciati
meridiani e paralleli, in modo tale da definire le coordinate celesti corrispondenti alla latitudine e
alla longitudine:
declinazione celeste: distanza angolare fra l’astro considerato e il piano dell’Equatore.
ascensione retta: distanza angolare dell’astro dal meridiano celeste che passa per il
cosiddetto “punto ”* (o punto di Ariete), scelto come meridiano iniziale o fondamentale
sulla Sfera celeste.
Sarebbe necessario stabilire la distanza lineare dal nostro pianeta, per avere una terza coordinata
che relazioni l’astro considerato alla Terra.
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Punto : punto sulla Sfera celeste in cui si trova il Sole nell’equinozio di primavera (21 marzo). Il punto diametralmente
opposto, dove si trova il Sole nell’equinozio d’autunno (21 settembre) è detto punto (punto omega).
I movimenti della Terra.
La Terra si muove nello Spazio con moti simultanei, ma differenti per velocità e durata.
Durata
I diversi tipi
di moto terrestre.
Relativamente breve
Tempi lunghi
Insieme al Sole e alla
Galassia
Effetti geografici
Sì, molto importanti.
Effetti geologici
No.
Sì (non rilevabili nel corso di una vita umana).
Non si conoscono effetti di un certo rilievo.
IL MOTO DI ROTAZIONE.
Moto che la Terra compie intorno al proprio asse, da Occidente verso Oriente, cioè in
senso inverso rispetto all’apparente moto diurno della Sfera celeste e del Sole. Anche se
non si tratta di un moto perfettamente uniforme (orologi atomici assai precisi testimoniano
che non lo sia), il moto di rotazione si considera uniforme e della durata di 23h 56 m 4s, cioè
un giorno sidereo.
Comunemente per giorno si intende il periodo che la Terra impiega per compiere una
rotazione attorno al proprio asse; a seconda che tale rotazione venga analizzata facendo
riferimento alle stelle o al Sole, si deve fare la distinzione tra
- giorno sidereo, considerato il vero periodo della rotazione terrestre: tempo occorrente per avere
due passaggi consecutivi di una stella sullo stesso meridiano = 23h 56 m 4s ;
- giorno solare, tempo che intercorre tra due culminazioni successive del Sole su uno stesso
meridiano = 24h. Il giorno solare non presenta la stessa durata in tutti i periodi dell’anno: in
prossimità del perielio (durante il ns.inverno) la velocità è massima e il giorno solare supera 24h ; in
prossimità dell’afelio (durante la ns.estate) la velocità orbitale si riduce e il giorno solare ha una
durata inferiore a 24h.
Il motivo della differenza di circa 4 minuti risiede nel fatto che mentre la Terra compie una
rotazione, si muove anche di un certo tratto lungo la sua orbita; perciò nel rivedere il Sole nella
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stessa direzione, dopo che la Terra ha fatto un giro completo attorno al proprio asse, occorre
che essa compia un supplemento di rotazione corrispondente all’arco percorso sull’orbita
(360°/365 g = 1°/g).
Comunemente parliamo del giorno solare, perché, in fondo, è il Sole che regola le nostre
attività quotidiane: ci riferiamo, comunque, al giorno solare medio, che risulta dalla media
delle durate di tutti i giorni dell’anno e corrisponde a 24 ore esatte.
Su questo arco di tempo è regolato, inoltre, il secondo, cioè la 86400° parte del giorno solare
medio (il S.I. ha anche adottato un secondo campione per il secondo, cioè la durata di 9 192 631
770 oscillazioni della radiazione emessa dall’atomo di cesio 133, in certe condizioni).
Nei moti terrestri si identificano
a.
la velocità lineare di rotazione: la distanza percorsa da un punto nell’unità di
tempo. Essa è massima all’Equatore (1668 km/h) e nulla ai poli: pertanto, essa varia
al variare della latitudine. Al diminuire della velocità lineare diminuisce anche la
forza centrifuga, mentre parallelamente va aumentando la forza di gravità.
b.
la velocità angolare: è il rapporto tra l’angolo descritto in un intervallo di tempo,
ossia la rapidità con cui il raggio vettore descrive l’angolo. Poiché ogni punto della
Terra descrive un angolo di 360° in un giorno, qualunque sia la latitudine e la
lunghezza del parallelo descritto, la velocità angolare non varia (360°/24h = 15°/h =
1°/4 min).
Secondo le osservazioni astronomiche moderne, la durata del moto di rotazione si
allungherebbe di 2 millesimi di secondo per secolo. Questo rallentamento si spiegherebbe con
l’attrito delle maree, ossia delle protuberanze che la Luna provoca sulle masse oceaniche
terrestri, con conseguente allontanamento della Luna dalla Terra (circa 4 cm/anno).
IL MOTO DI RIVOLUZIONE.
Moto che la Terra compie, come gli altri pianeti del Sistema Solare (Mercurio, Venere,
Terra, Marte, Giove, Saturno, Urano, Nettuno, Plutone) descrivendo un’orbita ellittica
intorno al Sole, in senso antiorario, immaginando di osservare il movimento dal Polo
nord celeste.
Il moto di rotazione è regolato dalle leggi di Keplero:
1.
i pianeti descrivono orbite ellittiche, quasi complanari, aventi tutte un fuoco in
comune, in cui si trova il Sole.
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La distanza tra la Terra e il Sole varia: essa viene a trovarsi in perielio ai primi di
gennaio con una distanza di 147 milioni di km e in afelio ai primi di luglio, con una
distanza di 152 milioni di km (dist.media=149 600 000 km).
L’orbita descritta dalla Terra è un’ellisse poco schiacciata, tanto che il rapporto tra i due semiassi
è di 0,017 (per una circonferenza vale 0). L’intero percorso orbitale vale 940 milioni di km.
2.
il raggio vettore che unisce il centro del Sole al centro di un pianeta descrive
superfici con aree uguali in intervalli di tempo uguali.
La velocità con cui la Terra compie l’intero percorso orbitale varia: 29,3 km/h
all’afelio e 30,3 km/h al perielio. Il tempo che la Terra impiega per compiere
un’orbita completa, cioè l’effettiva durata della rivoluzione terrestre, è di 365d 6h 9m
10 S, e viene definito anno sidereo, in opposizione all’anno solare/tropico, più breve
di circa 20 minuti a causa della precessione equinoziale.
3. i quadrati dei tempi che i pianeti impiegano a percorrere le loro orbite (periodi di
rivoluzione) sono proporzionali ai cubi delle loro distanze medie dal Sole,
misurate in U.A., (= dist.media Terra-Sole= 149 600 000km).
Il sistema Terra-Sole in realtà si muove attorno ad un baricentro comune, punto determinato dall’intersezione della congiungente i due corpi, che
risulta così divisa in parti inversamente proporzionali alle masse della Terra e del Sole. Poiché la massa del Sole è notevolmente maggiore
rispetto a quella della Terra, il baricentro sarà tanto prossimo al Sole, da potersi ritenere coincidente con esso.
I MOTI MILLENARI
Moti considerati perturbazioni del moto di rotazione e rivoluzione, che avvengono in
periodi assai lunghi, nell’ordine dei millenni. Essi sono dovuti alla differente azione
gravitazionale che i diversi corpi del Sistema Solare esercitano sulla Terra, in spazi e tempi
diversi.
IL MOTO DI TRASLAZIONE
Il Sole e, conseguentemente, l’intero Sistema solare si dirige verso un punto della Sfera
celeste, detto apice, che si trova in prossimità della Costellazione di Ercole, alla velocità di
19,4 km/h.
IL MOTO DI RECESSIONE DELLA GALASSIA
Moto dovuto alla probabile espansione dell’Universo.
14
Prove della rotazione terrestre.
1.
apparente spostamento diurno dei corpi celesti da Est verso Ovest.
A prima vista questo spostamento potrebbe essere visto come:
a. movimento di rotazione degli astri attorno alla Terra
b. rotazione in senso contrario (WE) della Terra su se stessa
Dato che i corpi celesti non sono fissati su una sfera, ma si trovano a distanze diverse
da noi, bisognerebbe ammettere che siano dotati di una velocità lineare esattamente
proporzionale alle distanze dall’asse terrestre, in modo da muoversi tutti insieme
solidalmente. Perciò è molto più semplice ammettere che sia la Terra a ruotare attorno
al proprio asse.
2.
analogia con altri pianeti, che mostrano un evidente moto rotatorio.
3.
caduta libera dei corpi = esperienza di Guglielmini.
Un grave che viene lasciato cadere da un punto elevato sulla superficie terrestre devia
dalla verticale del punto di partenza e giunge sul suolo spostato verso Est: questo
accade perché il corpo partecipa al moto rotatorio terrestre e durante la caduta
mantiene per inerzia la velocità lineare di rotazione che aveva nel punto di partenza,
maggiore di quella con cui ruota il punto di arrivo, che è più vicino all’asse di rotazione
della Terra.
Guglielmini lasciò cadere un grave dalla Torre degli Asinelli di Bologna e rilevò uno
spostamento di 17 mm per un’altezza di caduta di ca. 100 m: ovviamente la deviazione
risulta direttamente proporzionale all’altezza da cui si lascia cadere il corpo.
4.
esperienza di Foucault.
Foucault sospese alla cupola del Pantheon un pendolo costituito da un filo lungo 68 m a
cui era sospesa una sfera pesante 30 kg, affinché le oscillazioni del pendolo potessero
continuare per alcune ore. Alla sfera applicò un’asticina che sfiorava una grande disco
posto sul pavimento, cosparso di sabbia. Dai segni che l’asticina lasciava si poté
osservare che il piano delle oscillazioni pendolari girava a poco a poco in senso orario.
Se il pendolo fosse collocato al polo, isolandolo dal sistema inerziale della Terra, esso
compirebbe un giro di 360° in un giorno, mentre all’equatore non si muoverebbe affatto,
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poiché la Terra non compie alcuna rotazione attorno all’asse equatoriale. A Parigi, ad
una latitudine intermedia, il pendolo impiega 32 ore ca. per compiere un giro completo.
5.
variazione della accelerazione di gravità con la latitudine.
Oltre ad essere un effetto dello schiacciamento polare della Terra, è una conseguenza
della forza centrifuga dovuta alla rotazione.
La forza centrifuga, alla quale sono sottoposti tutti i corpi che si trovano sulla superficie
terrestre, è perpendicolare all’asse di rotazione della Terra ed è diretta verso l’esterno.
Fc = m x 2 x R
(m = massa del corpo, = vel. angolare, R = distanza dall’asse di rotazione)
La forza peso è, invece, il prodotto della massa del corpo per l’accelerazione di gravità:
P=mxg
6.
schiacciamento polare
Non avrebbe potuto prodursi in una Terra immobile.
Conseguenze della rotazione terrestre.
1.
spostamento della direzione dei corpi in moto sulla sup. terrestre = legge di Ferriel.
“A causa della rotazione terrestre, un corpo qualsiasi che si muova liberamente sulla Terra viene
deviato dalla sua direzione iniziale verso destra se si trova nell’emisfero boreale, verso sinistra se
si trova nell’emisfero australe” dal punto di vista dell’osservatore che guardi nella stessa
direzione e nello stesso senso del movimento del corpo.
Un corpo in moto tende per inerzia a conservare la velocità lineare di rotazione che
aveva nel punto di partenza: spostandosi verso i poli, andrà verso punti di rotazione
che hanno velocità di rotazione inferiore e sarà in anticipo su di essi. Sembrerà che il
corpo abbia subito una deviazione progressiva per effetto della forza deviante di Coriolis:
tale forza è definita apparente poiché ciò che realmente si sposta al di sotto del corpo è
la stessa Terra, che ruota con velocità minore o maggiore a seconda della latitudine. La
forza di Coriolis è presa in considerazione per esprimere e spiegare quantitativamente
un fenomeno, ma non è la causa reale del moto che sembra produrre.
Fd = 2m x V x x sen
(m = massa del corpo, = velocità angolare, = latitudine).
A tale deviazione sono sottoposti tutti i corpi che si muovono sulla superficie terrestre,
le correnti marine e i venti.
2.
il ciclo quotidiano/l’alternarsi del dì e della notte.
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A causa della forma pressoché sferica della Terra, i raggi solari, che cadono paralleli
alla superficie del pianeta, illuminano in ogni istante solo la parte di superficie terrestre
che è rivolta verso il Sole, lasciando all’oscurità tutti i punti della parte opposta.
Distinguiamo, quindi, in un giorno (= tempo dell’intera rotazione della Terra, più breve
rispetto al tempo della rivoluzione attorno al Sole):
a. dì: periodo di illuminazione della superficie terrestre.
b. notte: periodo di oscurità della superficie terrestre.
L’emisfero illuminato è diviso dall’altro da un circolo d’illuminazione, che presenta una
fascia di una certa ampiezza: per questo motivo il passaggio dal dì alla notte non è
brusco, ma graduale. L’atmosfera, penetrabile da parte dei raggi solari, permette alla
luce di giungere sulla superficie terrestre prima che il Sole appaia sul piano
dell’orizzonte: si assiste, così, a fenomeni come la riflessione, la rifrazione e la
diffusione, che danno origine alle aurore e ai crepuscoli, la cui durata aumenta nelle
regioni polari e nei periodi invernali.
Prove e conseguenze della rivoluzione terrestre
Ipotesi per il moto di rivoluzione:
Reale movimento annuo del Sole attorno alla Terra
Reale movimento annuo della Terra attorno al Sole.
In realtà, dalla superficie terrestre, noi vediamo che il Sole percorre un circolo massimo chiamato
Eclittica, che attraversa in successione le dodici costellazioni dello Zodiaco (da gennaio a dicembre:
Capricorno, Acquario, Pesci, Ariete, Toro, Gemelli, Cancro, Leone, Vergine, Bilancia, Scorpione,
Sagittario).
Prove che dimostrano l’effettiva esistenza di un moto di rivoluzione della Terra attorno al Sole:
1. analogia con altri pianeti del sistema solare
2. periodicità annua di alcuni gruppi di stelle cadenti
3. aberrazione della luce proveniente dagli astri: spostamento apparente (rilevabile
nell'osservazione astronomica) della posizione di una stella o di un altro oggetto celeste,
dovuto alla composizione delle velocità della luce e della Terra. Se la Terra non fosse in
movimento, la direzione di puntamento di un telescopio indicherebbe la direzione reale in
cui si trova una data stella. Poiché però la Terra si muove, nel sia pur brevissimo intervallo
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di tempo in cui la luce percorre la distanza fra l'obiettivo e il piano focale, il telescopio si
sposta e l'immagine della stella non cade più al centro. Per ripristinare l'allineamento con la
stella, il telescopio va inclinato di un certo angolo (circa 20’’) α di aberrazione (compreso tra
la direzione reale e quella apparente), puntandolo in una direzione che non è esattamente
quella in cui si trova la stella.
La Terra è soggetta a un moto orbitale attorno al Sole, che causa una aberrazione annua, e a
un moto di rotazione attorno al proprio asse, che causa una aberrazione diurna, di entità assai
minore della prima poiché il moto di rotazione è molto più lento di quello di rivoluzione.
4. Teniamo presente che
l’asse terrestre è inclinato di 66° 33’ rispetto al piano dell’orbita
se si considerano tempi non troppo lunghi esso si mantiene costantemente parallelo a
se stesso durante l’intero tragitto che la Terra compie intorno al Sole.
Se l’asse terrestre fosse perpendicolare al piano dell’orbita, il circolo dell’illuminazione
passerebbe per i poli e la durata del dì e della notte sarebbe costante (12 h ) per ogni punto
della superficie terrestre, in ogni periodo dell’anno non si verificherebbe più l’alternarsi
delle stagioni.
Si avrebbe solo una certa variazione nel passaggio del Sole dalla posizione di afelio alla
posizione di perielio, ma la differenza è comunque irrilevante.
5. diversa durata del dì e della notte e altezza del sole nel corso dell’anno.
Il ritmo delle stagioni e le zone di differente riscaldamento.
Gli equinozi e i solstizi possono essere indicati sull’orbita terrestre con le relative
posizioni in cui viene a trovarsi la Terra:
Linea degli equinozi: linea che passando per il centro del Sole unisce i due punti
dell’orbita in cui i raggi solari sono allo Zenit sull’Equatore.
Linea dei solstizi: linea perpendicolare alla linea degli equinozi, unisce i due punti
in cui il Sole è alla max elevazione rispetto al piano equatoriale.
Linea degli apsidi: linea congiungente l’afelio con il perielio, divergente dalla linea
precedente di soli 12°.
Il diverso riscaldamento dei vari luoghi della Terra dipende dall’inclinazione dei raggi del
Sole: la quantità di calore ricevuta da ciascun punto della superficie terrestre è in funzione
del moto di rivoluzione terrestre, poiché nel volgere di un anno si susseguono periodi più
caldi e più freddi, si ha cioè l’alternarsi delle stagioni.
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Le stagioni astronomiche, che risultano naturalmente invertite nei due emisferi, sono i
periodi di tempo compresi tra un equinozio e il solstizio successivo o tra un solstizio e
l’equinozio successivo. Esse sono così delimitate:
Emisfero boreale
Emisfero australe
dal/al
durata
Autunno
21 marzo / 21 giugno
92d 21h
Estate
Inverno
21 giugno / 23 sett.
93d 9h
Autunno
Primavera
23 sett./ 22 dic.
90d circa
Inverno
Estate
22 dic./ 21 marzo
89d circa
Primavera
Pertanto, nel nostro emisfero, il semestre primavera-estate è più lungo di circa una settimana
rispetto al semestre autunno-inverno in quanto in tale periodo la Terra, trovandosi in afelio, rallenta
in base alla II legge di Keplero.
Le stagioni astronomiche non coincidono del tutto con le stagioni meteorologiche, cioè
con il reale andamento del tempo meteorologico e del clima, che noi percepiamo: questo
fenomeno accade perché l’atmosfera, la litosfera e l’idrosfera terrestri immagazzinano e
cedono il calore in variabili intervalli di tempo, impedendo così di percepire
immediatamente la variazione dell’inclinazione dei raggi solari.
Convenzionalmente si è stabilito che le stagioni meteorologiche iniziano il primo giorno
del mese in cui cade l’equinozio o il solstizio di quelle astronomiche corrispondenti.
Ad avere un’importanza particolare per le condizioni di illuminazione e inclinazione dei
raggi solari nel corso dell’anno sono i due tropici e i due circoli polari: essi dividono
idealmente la superficie terrestre in 5 zone astronomiche, caratterizzate da diverse
condizioni di riscaldamento:
Limitata a nord da
Limitata a sud da
torrida o intertropicale:
tropico del cancro
tropico del capricorno
temperata boreale:
circolo polare artico
tropico del cancro
temperata australe:
tropico del capricorno
circolo polare antartico
calotta polare artica:
polo nord
circolo polare artico
calotta polare antartica:
circolo polare antartico
polo sud
Nome della zona
astronomica
prof. Antonio Colonna
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