La Terra Età 4,5 miliardi di anni Fabio Fantini, Simona Monesi, Stefano Piazzini La Terra Età 4,5 miliardi di anni

Capitolo 3 Il pianeta Terra e la Luna

Capitolo 3 Il pianeta Terra e la Luna Lezione 11 La Terra e il moto di rotazione §3.1 La Terra e il sistema solare §3.2 Moto di rotazione della Terra §3.3 Forza centrifuga e rotazione della Terra §3.4 Il dì e la notte §3.5 Angolo di incidenza dei raggi solari §3.6 Altezza del Sole

Capitolo 3 Il pianeta Terra e la Luna Lezione 12 La Terra e il moto di rivoluzione §3.7 Il moto di rivoluzione §3.8 Le stagioni §3.9 Equinozi e solstizi Lezione 13 La Luna e i suoi moti §3.10 La Luna §3.11 I moti della Luna §3.12 Fasi lunari ed eclissi 4 4

§3.1 La Terra e il sistema solare Il sistema solare è formato da una stella, il Sole, da otto pianeti, tra cui la Terra, e da corpi minori come satelliti, asteroidi e comete. Tutti questi corpi si influenzano reciprocamente attraverso la forza di gravità, ma non risentono in modo significativo dell’attrazione esercitata da corpi esterni al sistema.

§3.1 La Terra e il sistema solare Oltre il 99,8% della massa del sistema è concentrata nel Sole, che influenza con la sua enorme massa il moto di tutti gli altri corpi del sistema. Questa rappresentazione illustra la proporzione tra la massa del Sole e le masse dei pianeti. 6 6

§3.1 La Terra e il sistema solare I pianeti si muovono intorno al Sole descrivendo orbite ellittiche. La Terra compie il proprio moto di rivoluzione intorno al Sole in un arco di tempo definito anno. Come gli altri pianeti, la Terra compie anche un moto di rotazione intorno al proprio asse. Il periodo del moto di rotazione è definito giorno ed è suddiviso in 24 ore.

§3.1 La Terra e il sistema solare Dalla nostra posizione sulla superficie della Terra abbiamo l’impressione che i corpi ci ruotino intorno. In realtà si tratta di un moto apparente, conseguenza dei moti di rotazione e di rivoluzione compiuti dal nostro pianeta. I corpi celesti del sistema solare, tranne asteroidi, metoroidi e comete, hanno forma sferica. Anche la Terra ha forma sferica. 8 8

§3.2 Moto di rotazione della Terra Il moto di rotazione della Terra si può descrivere in base alla velocità angolare o alla velocità lineare. La velocità angolare di rotazione è data dal rapporto tra l’angolo descritto da un punto in rotazione e il tempo t necessario per lo spostamento. La velocità angolare di rotazione della Terra è di 360°/24h, cioè 15°/ h. Ogni punto della Terra ha la stessa velocità angolare. La velocità lineare di rotazione è data dal rapporto tra la lunghezza dell’arco percorso da un punto e il tempo t necessario per lo spostamento. 9 9

§3.2 Moto di rotazione della Terra Dopo che è trascorso un tempo t, la posizione del punto P è diventata P . La velocità angolare si ottiene dividendo l’ampiezza dell’angolo POP’per il tempo t. Nello stesso periodo di tempo tutti i punti della Terra descrivono lo stesso angolo: AOB = A′O′B′ = A″O″B″ I tre archi percorsi, AB, AB′e AB″, sono diversi e la loro lunghezza dipende dalla distanza dall’asse di rotazione. 10 10

§3.2 Moto di rotazione della Terra L’asse terrestre è l’insieme dei punti del pianeta per i quali la velocità lineare di rotazione è nulla. I poli sono i punti nei quali l’asse di rotazione interseca la superficie. I poli sono gli unici punti della superficie terrestre in cui la velocità lineare di rotazione è uguale a zero. Man mano che ci si allontana dai poli, la velocità lineare di rotazione aumenta. 11 11

Distanza angolare dall’equatore §3.2 Moto di rotazione della Terra Distanza angolare dall’equatore Velocità (m/s) Velocità (km/h) 90° 75° 120 432 60° 232 834 45° 328 1.179 30° 401 1.445 15° 448 1.611 0° 463 1.668 Un corpo che si trovi sulla superficie della Terra ha velocità lineare di rotazione che varia a seconda della sua distanza dall’asse di rotazione. Questa velocità è nulla ai poli e raggiunge il massimo valore all’equatore. 12 12

§3.2 Moto di rotazione della Terra In ciascun emisfero i punti della superficie terrestre che hanno la stessa velocità lineare si trovano sulla stessa circonferenza che prende il nome di parallelo. La distanza tra i punti di un parallelo e l’equatore, misurata come angolo al centro della Terra, è chiamata latitudine. Le circonferenze che passano per i poli e intersecano perpendicolarmente tutti i paralleli sono chiamate meridiani. La distanza angolare di un meridiano dal meridiano di riferimento è detta longitudine. 13 13

§3.2 Moto di rotazione della Terra I punti che hanno la stessa latitudine, in entrambi gli emisferi, si trovano sullo stesso parallelo e hanno perciò la stessa velocità lineare di rotazione. I punti che hanno la stessa longitudine, a est e a ovest del meridiano di riferimento, si trovano sullo stesso meridiano. 14 14

§3.3 Forza centrifuga e rotazione della Terra In ogni corpo che si muove con moto circolare uniforme agisce una forza, detta centrifuga, che in ogni punto è proporzionale alla velocità lineare di rotazione. La forza centrifuga è orientata perpendicolarmente alla direzione del moto e tende ad allontanare le particelle del corpo dal centro di rotazione. 15 15

§3.3 Forza centrifuga e rotazione della Terra L’azione della forza centrifuga fa sì che la forma della Terra non sia quella di una sfera perfetta. La Terra presenta un rigonfiamento in corrispondenza della fascia equatoriale, dove la forza centrifuga fa sentire maggiormente il suo effetto a causa di una maggiore velocità lineare. La differenza tra il raggio equatoriale Re = 6.378,1 e il raggio polare Rp = 6.356,8 è di soli 21,4 km. 16 16

§3.4 Il dì e la notte Il confine tra la superficie buia e quella illuminata della Terra è segnato da una circonferenza che prende il nome di circolo di illuminazione. Il periodo di una rotazione completa, il giorno, è suddiviso in due parti, il dì e la notte. Il dì corrisponde alla permanenza di una località nella zona illuminata, la notte nella zona buia. 17 17

Il passaggio dalla superficie illuminata a quella buia non è netto. §3.4 Il dì e la notte Il passaggio dalla superficie illuminata a quella buia non è netto. L’atmosfera terrestre provoca infatti la diffusione della luce, permettendo di osservare il Sole prima del suo sorgere (alba) o dopo il suo tramonto (crepuscolo). 18 18

§3.5 Angolo di incidenza dei raggi solari Le notevoli dimensioni del Sole e la grande distanza tra Sole e Terra permettono di assimilare i raggi solari a segmenti paralleli fra loro. Per questa ragione il flusso di energia solare che colpisce la superficie terrestre viene rappresentato e descritto come un fascio di raggi paralleli. 19 19

§3.5 Angolo di incidenza dei raggi solari L’irraggiamento di una superficie dipende dall’angolo di incidenza dei raggi solari. L’angolo di incidenza è l’angolo che si forma tra la direzione dei raggi solari e la superficie terrestre. Su una superficie piana (A) i raggi solari cadono ovunque con la stessa inclinazione. Su una superficie curva (B) l’angolo di incidenza dei raggi del Sole varia da punto a punto. Tre aree di uguale estensione, S1, S2 e S3, ricevono quantità differenti di energia solare. 20 20

§3.5 Angolo di incidenza dei raggi solari Quanto maggiore è l’angolo di incidenza, tanto maggiore è il riscaldamento della superficie. Nello stesso giorno (21 marzo) la stessa superficie posta a tre differenti latitudini riceve una quantità di energia differente. 21 21

Durante il dì il Sole si trova più o meno alto nel cielo. §3.6 L’altezza del Sole Il punto di stazionamento di un osservatore è il punto in cui il piano dell’orizzonte dell’osservatore è tangente alla superficie terrestre. Durante il dì il Sole si trova più o meno alto nel cielo. L’altezza del Sole, come quella di qualsiasi altro corpo celeste, si misura mediante un angolo riferito al piano dell’orizzonte. L’angolo compreso tra il piano dell’orizzonte e la retta che congiunge il punto di stazionamento con la posizione del Sole definisce l’altezza del Sole. 22 22

§3.6 L’altezza del Sole L’altezza del Sole si determina misurando l’angolo compreso tra il piano dell’orizzonte e la retta che congiunge il punto di stazionamento (dove si trova l’osservatore), con la posizione del Sole. Il piano dell’orizzonte è il piano tangente alla superficie terrestre nel punto di stazionamento. 23 23

§3.6 L’altezza del Sole L’altezza del Sole varia da un valore minimo di 0° quando il Sole è sul piano dell’orizzonte, a un valore massimo di 90° quando il Sole è sulla verticale dell’osservatore. Il punto della sfera celeste che si trova sulla verticale del punto di stazionamento è lo zenit. Nel corso del dì l’altezza del Sole aumenta progressivamente fino alla culminazione, cioè fino al valore massimo, quindi decresce. 24 24

§3.6 L’altezza del Sole La culminazione si verifica quando il Sole transita in corrispondenza del meridiano che passa per il punto di stazionamento. In un dato istante il Sole si trova in culminazione per tutti i punti che appartengono allo stesso meridiano. Lungo il meridiano vi è un solo punto in cui i raggi del Sole cadono esattamente perpendicolari. 25 25

§3.7 Il moto di rivoluzione La Terra si muove intorno al Sole lungo un’orbita che ha la forma di un’ellisse poco eccentrica. La distanza Terra-Sole è di 146.400.000 km in perielio e di 151.200.000 km in afelio. La velocità orbitale della Terra è massima in perielio (30,4 km/s) e minima in afelio (29,5 km/s). La rivoluzione terrestre si compie in un anno, cioè in poco più di 365 giorni. 26 26

§3.8 Le stagioni Alla latitudine in cui viviamo, nell’arco di un anno si alternano quattro stagioni: primavera, estate, autunno e inverno. Durante il periodo di un anno si succedono ciclicamente condizioni climatiche diverse. Le differenze climatiche stagionali sono determinate dalla diversa inclinazione dei raggi solari, che è minore durante l’inverno. Durante l’inverno il dì ha durata minore della notte, al contrario dell’estate e il Sole culmina ad un’altezza minore. 27 27

§3.8 Le stagioni Le diverse condizioni dipendono dal fatto che l’asse di rotazione terrestre forma con il piano dell’orbita un angolo di 66° 33’. Durante il moto di rivoluzione, l’asse di rotazione mantiene costante la propria inclinazione e la propria direzione nello spazio. Il piano dell’equatore è perpendicolare all’asse di rotazione e forma col piano dell’orbita, chiamato piano dell’eclittica, un angolo di 23° 27’. 28 28

§3.8 Le stagioni Durante il moto di rivoluzione, l’asse di rotazione della Terra si mantiene parallelo a se stesso. Rispetto al piano dell’orbita,i raggi del Sole sono paralleli e il circolo di illuminazione è perpendicolare. L’equatore è l’unico parallelo sempre diviso in due metà uguali dal circolo di illuminazione. 29 29

§3.8 Le stagioni Se l’asse di rotazione fosse perpendicolare al piano dell’eclittica, i raggi solari sarebbero sempre perpendicolari all’asse terrestre e tutti i paralleli sarebbero divisi in due parti uguali dal circolo d’illuminazione. In tali condizioni non esisterebbero le stagioni, perché in ogni punto della Terra il dì sarebbe sempre uguale alla notte e i raggi solari cadrebbero sempre con la stessa inclinazione per tutto l’anno. 30 30

§3.9 Equinozi e solstizi A causa dell’inclinazione dell’asse terrestre, il Sole può trovarsi allo zenit all’equatore solo in due giorni dell’anno. Negli altri giorni dell’anno il Sole in culminazione può raggiungere lo zenit a latitudini comprese tra 23°27’S e 23°27’N. 31 31

§3.9 Equinozi e solstizi Quando i raggi solari sono perpendicolari all’equatore, il circolo di illuminazione passa esattamente per i poli. Nel corso dell’anno si hanno due equinozi, uno il 21 marzo chiamato equinozio di primavera e l’altro il 23 settembre chiamato equinozio di autunno. 32 32

Nei giorni degli equinozi: §3.9 Equinozi e solstizi Nei giorni degli equinozi: • la durata del dì è uguale alla durata della notte; • il Sole sorge esattamente a est e tramonta esattamente a ovest; • il Sole culmina allo zenit all’equatore; • ai poli il Sole giace sul piano dell’orizzonte; alle altre latitudini l’altezza massima del Sole corrisponde all’angolo complementare alla latitudine. 33 33

§3.9 Equinozi e solstizi Il circolo di illuminazione raggiunge la massima distanza dai poli quando la Terra si trova nella posizione di solstizio. I due solstizi sono posti ad una distanza angolare di 90° rispetto agli equinozi. 34 34

• il Sole culmina allo zenit al tropico del Cancro; §3.9 Equinozi e solstizi Nel solstizio estivo: • il Sole culmina allo zenit al tropico del Cancro; • il Sole sorge a nord-est e tramonta a nord-ovest; • a tutte le latitudini comprese tra il circolo polare artico e il polo nord il Sole non tramonta mai; • in tutto l’emisfero nord la durata del dì è maggiore di quella della notte; il contrario nell’emisfero sud. 35 35

Nel solstizio invernale: §3.9 Equinozi e solstizi Nel solstizio invernale: • il Sole culmina allo zenit al tropico del Capricorno; • il Sole sorge a sud-est e tramonta a sud-ovest; • a tutte le latitudini comprese tra il circolo polare artico e il polo nord il Sole non sorge mai; • in tutto l’emisfero nord la durata del dì è minore di quella della notte; il contrario nell’emisfero sud. 36 36

§3.10 La Luna La Luna è definita il satellite della Terra ma, poiché la Luna ha massa non trascurabile rispetto alla Terra, è più corretto considerare Terra e Luna come un sistema formato da due pianeti. La Luna inoltre risente principalmente dell’attrazione gravitazionale del Sole. 37 37

La Luna è ben visibile dalla Terra perché manca di atmosfera. Le aree chiare e scure che si distinguono sulla superficie lunare corrispondono rispettivamente a rilievi e a zone pianeggianti. 38 38

I moti principali della Luna sono tre: §3.11 I moti della Luna I moti principali della Luna sono tre: • rotazione intorno al proprio asse; • rivoluzione intorno alla Terra; • traslazione con la Terra intorno al Sole. 39 39

Il moto di rotazione avviene in circa 27 giorni e mezzo. §3.11 I moti della Luna Il moto di rotazione avviene in circa 27 giorni e mezzo. Il moto di rivoluzione ha la stessa durata della rotazione. Il moto di traslazione avviene in un anno. 40 40

§3.11 I moti della Luna La Luna durante la sua rivoluzione mostra sempre la stessa faccia rivolta verso la Terra. Ciò significa che il moto di rotazione e quello di rivoluzione della Luna sono sincroni e hanno lo stesso verso. 41 41

§3.11 I moti della Luna L’orbita lunare è un’orbita ellittica che giace su un piano che forma un angolo di 5°col piano dell’orbita terrestre. I punti in cui l’orbita lunare attraversa il piano dell’eclittica sono detti nodi. La linea di intersezione tra i due piani è detta linea dei nodi. Il punto di massima distanza della Luna dalla Terra è l’apogeo, quello di minima distanza il perigeo. 42 42

§3.12 Fasi lunari ed eclissi Il Sole illumina in ogni istante una metà esatta della superficie lunare. La faccia della Luna rivolta alla Terra cambia periodicamente il suo stato di illuminazione nel corso di un mese. In un mese si susseguono in ordine le seguenti fasi lunari: Luna nuova o novilunio, primo quarto, Luna piena o plenilunio e ultimo quarto. 43 43

§3.12 Fasi lunari ed eclissi La Luna ha sempre metà della sua superficie illuminata dal Sole, ma dalla Terra ne possiamo vedere solo una parte più o meno grande. Dal novilunio (1) la Luna cresce, si ha il primo quarto (3) e poi il plenilunio (5). Quindi la Luna decresce passando per l’ultimo quarto (7) e infine torna al novilunio (1). 44 44

§3.12 Fasi lunari ed eclissi Nella fase di novilunio la Luna è in congiunzione perché si trova tra la Terra e il Sole. Nella fase di plenilunio la Luna è in opposizione perché si trova, rispetto alla Terra, in posizione opposta a quella del Sole. Le posizioni del primo e dell’ultimo quarto sono dette quadrature perché in entrambi i casi le congiungenti Sole-Terra e Terra-Luna formano un angolo di 90°. 45 45

§3.12 Fasi lunari ed eclissi Il tempo impiegato dalla Luna per compiere una rivoluzione completa intorno alla Terra è detto mese sidereo e corrisponde a circa 27,5 giorni. Per tornare nella stessa posizione rispetto alla Terra e al Sole, la Luna deve percorrere un ulteriore arco, da L′a L″, che richiede altri 2 giorni circa. L’intervallo di tempo compreso tra due fasi lunari uguali dura 29,5 giorni e prende il nome di mese sinodico. 46 46

§3.12 Fasi lunari ed eclissi L’eclisse di Luna avviene quando la Luna è in plenilunio ed è oscurata dall’ombra proiettata dalla Terra. Eclisse di Luna. La Luna è in opposizione e si trova in corrispondenza di un nodo. 47 47

§3.12 Fasi lunari ed eclissi L’eclisse di Sole avviene quando la Luna è in novilunio e oscura il Sole. Eclisse di Sole. La Luna è in congiunzione e si trova in corrispondenza di un nodo. Durante un’eclissi di Sole, l’oscuramento totale del Sole è osservabile solo da una zona ristretta della superficie terrestre. 48 48

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