I MOTI DELLA TERRA Prof. Veronica Dazzi

I MOTI DELLA TERRA Il nostro pianeta si muove in maniera complessa nello spazio, essendo dotato di diversi moti simultanei che si effettuano con velocità e durate differenti. Tali moti possono essere distinti in tre gruppi: MOVIMENTI CHE SI RIPETONO IN TEMPI RELATIVAMENTE BREVI e producono effetti geografici molto importanti (rotazione e rivoluzione) MOVIMENTI CHE SI RIPETONO IN TEMPI LUNGHI e producono effetti geografico – geologici di grande interesse, ma non rilevabili nel corso di una vita umana (moti millenari) MOVIMENTI INSIEME AL SOLE E ALLA GALASSIA, dei quali non si conoscono conseguenze geografiche di qualche rilievo

IL MOTO DI ROTAZIONE Il moto di rotazione è quello che la terra compie girando intorno al proprio asse immaginario. 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. L'asse di rotazione è inclinato di 66° e 33' sul piano dell'orbita terrestre.

La velocità di rotazione è molto variabile con la latitudine: è massima all’equatore dove raggiunge il valore di 1650 km/h e va diminuendo verso i poli dove diventa nulla. La rotazione avviene in circa 24 ore  se si prende come riferimento il Sole  (giorno solare), se invece si prende come riferimento le stelle il giorno dura 23 ore, 56' e 4'' (giorno sidereo). Il giorno sidereo è l'intervallo di tempo compreso fra due passaggi consecutivi di una stella sullo stesso meridiano. Il giorno solare è l'intervallo di tempo compreso fra due passaggi consecutivi del Sole sullo stesso meridiano. Il giorno solare è un po' più lungo. Tale ritardo sta nel fatto che mentre la terra ruota, è soggetta anche al moto di rivoluzione attorno al Sole .

Prove della rotazione Già nell’antichità si era pensato che fosse la terra a girare su se stessa piuttosto che gli astri attorno ad essa, ma è dovuto passare molto tempo prima che l’idea potesse essere accettata da tutti. Tuttavia oggi disponiamo di numerose prove che dimostrano questo movimento di rotazione Tutti gli altri pianeti del Sistema solare mostrano un evidente moto rotatorio assiale e non abbiamo motivo per ritenere che solo il nostro pianeta ne sia privo. 1. Analogia con gli altri pianeti Si basa sull’osservazione della caduta libera dei corpi. 2. Esperienza di Guglielmini Consiste nell’osservare lo spostamento del piano di oscillazione di un pendolo rispetto agli altri oggetti terrestri 3. Esperienza del pendolo di Foucault

Esperienza di Guglielmini L’astronomo italiano G.B. Guglielmini, in una serie di esperimenti sulla caduta libera dei corpi, fornì nel 1791 la prima prova della rotazione della Terra. Gli esperimenti furono compiuti a Bologna lasciando cadere dalla Torre degli Asinelli, alta circa 100m, delle palle di piombo. Misurando il punto di caduta delle palle, Guglielmini osservò che questo si trovava mediamente spostato di 17 mm verso Est rispetto alla verticale. Questo fatto si poteva spiegare solo ammettendo il moto rotatorio della Terra da Ovest verso Est. Il grave, come la torre, partecipa al moto rotatorio terrestre e durante la caduta mantiene per inerzia la stessa velocità lineare che aveva nel punto di partenza, cioè una velocità maggiore di quella con cui ruota il punto d’arrivo che è più vicino all’asse di rotazione della Terra. Ciò spiega perché il punto di caduta è spostato nella direzione del moto .

Esperienza del pendolo di Foucault Nel 1851 M. Foucault dimostrò la rotazione terrestre facendo un esperimento basato sull’apparente spostamento del piano di oscillazione di un pendolo. Dalla fisica sappiamo che il piano di oscillazione di un pendolo è fisso, cioè non cambia posizione nello spazio. Foucault sospese alla cupola del Panthéon di Parigi un grande pendolo costituito da un cavo d’acciaio di 68m a cui era sospesa una sfera di 30 kg alla quale era applicata un’asticina che sfiorava il pavimento ricoperto di sabbia. Lasciando oscillare il grande pendolo, l’asticina lasciava sulla sabbia dei segni che ruotavano di circa 11° 51’ ogni ora. Sembrava quindi che il piano di oscillazione del pendolo si spostasse ruotando in senso orario, in realtà a ruotare in senso antiorario è il pavimento che segue il movimento di rotazione della Terra. Al Polo l’asse del pendolo coinciderebbe con quello terrestre e il piano di oscillazione compirebbe un giro di 360° in un giorno. All’Equatore esso non si sposterebbe perché la Terra non ruota intorno all’asse equatoriale.

Conseguenze della rotazione Come ulteriori prove del moto di rotazione terrestre è possibile considerare tutte le conseguenze prevedibili di questo movimento; queste conseguenze sono tante e di grande importanza nei loro effetti. APPARENTE MOVIMENTO DELLA SFERA CELESTE ALTERNANZA DEL DÌ E DELLA NOTTE LEGGE DI FERREL VARIAZIONE DELL’ACCELERAZIONE DI GRAVITÀ AL VARIARE DELLA LATITUDINE 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.

APPARENTE MOVIMENTO DELLA SFERA CELESTE Il moto di rotazione della Terra fa sì che tutti i corpi celesti, vicini o lontani che siano, appaiano dotati di un movimento di rivoluzione attorno ad essa, sincrono e contrario al suo movimento reale. Osservando il cielo dal mattino alla sera si vede il Sole sorgere a Est e attraversare tutta la volta del cielo per tramontare la sera a Ovest. In realtà sappiamo che non è il Sole a ruotare intorno alla Terra: questo “moto apparente” avviene per effetto della rotazione terrestre, che si compie in senso antiorario rispetto ad un osservatore immaginario posizionato sopra il Polo Nord.

ALTERNANZA DEL DÌ E DELLA NOTTE I raggi del Sole arrivano sulla Terra paralleli tra di loro e in ogni momento illuminano solo metà della sua superficie, quella che è rivolta verso il Sole, lasciando nell’oscurità tutti i punti della parte opposta. Se la Terra fosse immobile non avremmo nell’arco delle 24h l’alternanza di un periodo di illuminazione che chiamiamo dì e di un periodo di oscurità che chiamiamo notte. Con il termine giorno indichiamo il tempo dell’intera rotazione, cioè l’insieme del dì e della notte.

ALTERNANZA DEL DÌ E DELLA NOTTE Il passaggio dall’emisfero illuminato a quello al buio non è brusco, ma graduale, per la presenza nell’aria di pulviscoli, vapore e impurità che consentono i fenomeni ottici di diffusione e rifrazione. Se il nostro pianeta non fosse tutto avvolto dall'atmosfera, il passaggio dal dì alla notte sarebbe repentino e non esisterebbero i fenomeni dell'aurora e del crepuscolo; è l'aria infatti che riflette verso di noi il chiarore dei raggi solari quando il sole è definitivamente tramontato (crepuscolo) o non è ancora sorto all'orizzonte (aurora). Quindi l’emisfero è diviso da quello in ombra dal circolo d’illuminazione che quindi non è una linea ma una fascia

LEGGE DI FERREL A causa del moto di rotazione terrestre un corpo qualsiasi che si muove liberamente sulla Terra subirà una deviazione a destra se si trova nell’emisfero boreale e a sinistra se si trova nell’emisfero australe. L’entità della deviazione è ovviamente in rapporto con la latitudine alla quale avviene lo spostamento, perché con la latitudine varia la velocità lineare di rotazione; essa però dipende anche dalla velocità che il corpo possiede nel suo moto di trasferimento da un punto all’altro della superficie terrestre. Questa forza deviante viene chiamata forza di Coriolis ed è una forza apparente che serve a spiegare ed esprimere quantitativamente questo fenomeno che interessa principalmente le masse d’acqua che si spostano negli oceani determinando le correnti marine e le masse d’aria che si muovono nell’atmosfera generando i venti e i diversi sensi di rotazione dei cicloni e dei tornado nei due emisferi. Quindi lo spostamento del corpo è soltanto relativo, perché ciò che realmente si sposta, al di sotto del corpo in moto, è la stessa Terra che ruota.

IL MOTO DI RIVOLUZIONE Ancora qualche secolo fa la maggior parte delle persone era convinta che la Terra fosse immobile nello spazio: se la Terra fosse stata in movimento, si pensava, si sarebbe sentito soffiare un vento contrario, un po’ come succede ad una persona che corre in una giornata di aria calma. Oggi sappiamo che la Terra viaggia intorno al Sole a più di 107.000 km/h e che ciò non provoca alcun vento contrario per la semplice ragione che l’atmosfera, trattenuta dalla forza di gravità terrestre, si sposta nello spazio assieme alla Terra. Il moto di rivoluzione è quello che la terra compie girando intorno al Sole. Durante questo movimento la terra descrive un'orbita ellittica (detta eclittica) che viene percorsa in senso antiorario, ad una velocità media di circa 107.000 km/h

Il periodo di tempo impiegato dalla terra per compiere una rivoluzione completa (circa 940 milioni di km) si chiama anno sidereo, e dura 365 giorni 5 ore 48 minuti e 46 secondi. L’orbita descritta dalla terra è un’ellisse poco eccentrica (poco “schiacciata”), cioè con i due assi di lunghezza poco diversa, della quale il sole occupa uno dei due fuochi. Per questa particolare configurazione dell’eclittica, la terra varia continuamente la sua distanza rispetto al sole. Nel punto più vicino, perielio (3 gennaio), dista dal Sole 147 milioni di chilometri, mentre nel punto più lontano, afelio (2 luglio, cioè circa sei mesi dopo), ne dista 152 milioni di chilometri. fuoco PERIELIO Sole AFELIO orbita Terra

Prove della rivoluzione Tutti gli altri pianeti del Sistema solare mostrano un evidente moto di rivoluzione descrivendo orbite ellittiche e non abbiamo motivo per ritenere che solo il nostro pianeta ne sia privo. 1. Analogia con gli altri pianeti 2. Aberrazione stellare 3. Moto apparente annuo del Sole 4. Periodicità annua di alcuni gruppi di stelle cadenti Dipende dal fatto che la terra, nel moto lungo della sua orbita, incontra nelle medesime posizioni degli sciami di meteoriti, alcune delle quali vengono attratte dal campo gravitazionale terrestre e attraversando l'atmosfera diventano incandescenti (es. nella notte di S. Lorenzo, il 10 Agosto, allorché l’orbita terrestre interseca l’orbita delle meteoriti interposte tra la Terra e Marte)

Aberrazione stellare Per vedere una stella con un telescopio non bisogna puntare verso l'esatta posizione della stella ma un po' più indietro, perché mentre la luce della stella percorre l’asse ottico del telescopio la terra si è spostata lungo la sua orbita di un certo angolo. L'ampiezza dell'angolo tra la direzione della stella e quella apparente (angolo di aberrazione) è influenzato dalla velocità di rivoluzione della terra; l'ampiezza è massima in perielio e minima in afelio. Moto apparente annuo del Sole Osservando il Sole dalla Terra, sembra che durante l’anno esso descriva sulla Sfera celeste un circolo massimo, chiamato Eclittica, passando davanti alle 12 costellazioni dello Zodiaco

Conseguenze della rivoluzione ALTERNANZA DELLE STAGIONI SUDDIVISIONE DEL GLOBO TERRESTRE IN 5 ZONE ASTRONOMICHE DIFFERENTE DURATA DEL DÌ E DELLA NOTTE 23°27’ 60°33’ Piano dell’eclittica Asse terrestre Piano equatoriale N W S E Il piano immaginario che contiene l’orbita terrestre è chiamato piano dell’eclittica; rispetto a tale piano di riferimento, l’asse terrestre è inclinato di 66°33’, mentre l’equatore terrestre forma un angolo complementare di 23°27’. Se l'asse fosse perpendicolare al piano dell'eclittica, i raggi del Sole avrebbero sempre lo stesso angolo di incidenza con la superficie della Terra durante il corso dell'anno, ed il giorno avrebbe sempre la stessa durata della notte, dodici ore. Il dì e la notte hanno la stessa durata solo in due momenti dell’anno: il 21 Marzo e il 23 Settembre. In tutti gli altri momenti soltanto i punti che si trovano sull’Equatore hanno dì e notte sempre uguali, mentre nei luoghi situati a Nord e a Sud osserviamo una diversa durata del dì e della notte.

In apparenza sembra che il Sole giri intorno alla Terra percorrendo una traiettoria (l’Eclittica) che giace sullo stesso piano dell’orbita terrestre ed è quindi inclinata di 23°27’ rispetto al piano equatoriale celeste. I due punti in cui la traiettoria solare attraversa l’Equatore celeste sono gli equinozi, le cui date cadono il 21 marzo (equinozio di primavera) ed il 23 settembre (equinozio d’autunno). In tali giorni, a mezzogiorno, i raggi del Sole sono allo zenit all’equatore (0° di latitudine), perché, lungo la sua orbita, la Terra è in posizione tale che l’asse terrestre non risulta inclinato né verso il Sole, né in direzione opposta ad esso. Il circolo di illuminazione passa per i poli, così la durata del giorno e della notte sarà uguale in tutti i punti della superficie terrestre.

Le massime elevazioni a Nord e a Sud rispetto al piano equatoriale terrestre, il Sole le raggiunge in due posizioni che vengono dette solstizi ; la prima si ha il 21 giugno (solstizio d’estate), l’altra il 22 dicembre (solstizio d’inverno). la Terra è nella posizione in cui il suo emisfero settentrionale è rivolto verso il Sole. In questa data i raggi del Sole, a mezzogiorno, sono perpendicolari alle aree situate a 23°27’ di latitudine nord, cui corrisponde un parallelo chiamato Tropico del Cancro la Terra si trova nella posizione opposta alla precedente e i raggi del Sole a mezzogiorno sono perpendicolari alle aree situate a 23°27’ di latitudine sud, cui corrisponde il parallelo chiamato Tropico del Capricorno

IL RITMO DELLE STAGIONI I quattro giorni di cui abbiamo parlato, sono quelli che segnano convenzionalmente l’inizio delle quattro stagioni astronomiche: primavera, estate, autunno e inverno, che sono comprese proprio nell’intervallo di tempo che intercorre tra uno di questi giorni ed il successivo È ovvio che nei periodi di tempo che intercorrono tra queste quattro posizioni, le condizioni di illuminazione sono intermedie a quelle descritte e variano progressivamente dall’una all’altra.

ZONE ASTRONOMICHE Poiché la Terra è sferica, l’incidenza dei raggi non è uguale a tutte le latitudini. All’aumentare della latitudine lo stesso fascio di luce si distribuirà su una superficie maggiore, per cui arriverà con una intensità minore. Questo fenomeno si traduce in una differenza di temperatura con la latitudine che permette di individuare sul globo terrestre 5 zone dette astronomiche. UNA ZONA TORRIDA: compresa tra i due tropici (cioè tra 23°27’ lat. nord e 23°27’ lat. sud), dove si registrano le più alte temperature DUE ZONE GLACIALI: si estendono tra i circoli polari e i poli, caratterizzate da temperature molto basse DUE ZONE TEMPERATE: comprese tra i due tropici e i circoli polari, caratterizzate da temperature abbastanza miti

I MOTI MILLENARI L’azione gravitazionale che gli altri corpi del sistema solare, in particolare il Sole e la Luna, esercitano sul mostro pianeta, provoca anche altri movimenti della Terra nello spazio che sono più lenti di quelli di rotazione e di rivoluzione. A causa di questa lentezza, è possibile osservare questi movimenti soltanto nel corso dei millenni, tuttavia la loro esistenza è stata comprovata da accuratissimi studi astronomici che hanno messo in evidenzia come questi moti millenari hanno importantissime conseguenze sul clima del nostro pianeta. Tali movimenti sono: Moto doppio – conico dell’asse terrestre Precessione degli equinozi Spostamento della linea degli apsidi Variazione dell’eccentricità dell’orbita

Moto doppio – conico dell’asse terrestre L’attrazione combinata che la Luna e il Sole esercitano maggiormente all’equatore tende a far coincidere il piano dell’equatore con il piano dell’eclittica cioè tende a raddrizzare l’asse terrestre; a ciò si oppone il movimento di rotazione della Terra che invece tende a mantenere immutata l’inclinazione dell’asse terrestre. Le due forze si compongono e ne deriva un movimento che fa descrivere all’asse terrestre due coni con il vertice al centro della Terra. Questo movimento doppio - conico è chiamato precessione luni-solare. Precessione degli equinozi 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 dell’intersezione tra tale piano e il piano dell’Eclittica, ossia della linea degli equinozi. Allo stesso modo si muove anche la linea dei solstizi, che è perpendicolare a quella degli equinozi. Nelle immagini è rappresentata le situazione attuale e quello che succederà tra qualche migliaio di anni.

Spostamento della linea degli apsidi A causa dell’attrazione gravitazionale esercitata dagli altri pianeti del sistema solare, l’asse maggiore dell’orbita terrestre (detta linea degli apsidi) si muove, per un osservatore situato al polo nord celeste, in senso antiorario e va quindi incontro alla linea degli equinozi, abbreviando il periodo della precessione. Variazione dell’eccentricità dell’orbita Variazione del rapporto tra distanza del Sole dal centro dell’orbita e la lunghezza del semiasse maggiore di quest’ultima. La variazione dell’eccentricità dell’orbita modifica l’intensità delle oscillazioni climatiche dovute alla precessione degli equinozi. Maggiore è l’eccentricità, maggiore è la differenza tra la massima e la minima distanza della Terra dal Sole e di conseguenza maggiore è l’effetto della precessione degli equinozi.