La Terra non è mai ferma: ruota su sé stessa e gira intorno al Sole, e questi movimenti spiegano il giorno, la notte, le stagioni e moltissimi fenomeni che osserviamo ogni giorno senza accorgercene davvero.
Introduzione: un pianeta in continuo movimento
Se ti sembra di stare fermo mentre leggi queste righe, sappi che in realtà stai viaggiando a una velocità impressionante attraverso lo spazio. La Terra, infatti, compie contemporaneamente diversi movimenti, alcuni rapidi e altri così lenti da risultare percepibili solo nell'arco di migliaia di anni. I due moti più importanti, quelli che studieremo in modo approfondito, sono la rotazione e la rivoluzione, ma esistono anche altri movimenti minori che gli scienziati hanno scoperto osservando il cielo con strumenti sempre più precisi. Comprendere questi moti significa capire perché esistono il giorno e la notte, perché in inverno fa freddo e in estate caldo, e perché alcune stelle che vediamo a gennaio non sono visibili a luglio. Per molti secoli si pensava che fosse il Sole a girare intorno alla Terra, una convinzione che sembrava confermata dall'esperienza quotidiana di vedere l'astro sorgere a est e tramontare a ovest. Solo con Copernico, Galileo e Keplero questa idea sbagliata fu definitivamente superata, aprendo la strada a una visione eliocentrica dell'universo che corrisponde alla realtà osservata.
Il moto di rotazione
La rotazione è il movimento che la Terra compie ruotando su sé stessa attorno a un asse immaginario chiamato asse terrestre, che attraversa il pianeta dal Polo Nord al Polo Sud. Questo asse non è perpendicolare al piano dell'orbita, ma risulta inclinato di circa 23,5 gradi, una caratteristica fondamentale che avrà conseguenze importantissime sulle stagioni. La Terra compie una rotazione completa in circa 23 ore, 56 minuti e 4 secondi, un intervallo chiamato giorno sidereo, mentre il giorno solare medio, quello che usiamo per scandire la vita quotidiana, dura esattamente 24 ore. Il senso di rotazione è da ovest verso est, ed è proprio questa direzione che ci fa percepire il Sole come se si muovesse in senso opposto, sorgendo a est e tramontando a ovest. Un primo esempio concreto di questo fenomeno lo vivi ogni mattina: il Sole non si alza davvero, sei tu che, insieme alla porzione di Terra su cui ti trovi, vieni portato gradualmente verso la luce. Un secondo esempio riguarda i satelliti geostazionari per le telecomunicazioni: questi orbitano alla stessa velocità di rotazione terrestre e quindi sembrano restare sempre sopra lo stesso punto, permettendo alle antenne paraboliche delle case di restare puntate sempre nella medesima direzione.
Conseguenze della rotazione: dì e notte, fusi orari
La conseguenza più evidente della rotazione è l'alternanza del dì e della notte, perché in ogni istante solo metà del pianeta è illuminata dal Sole mentre l'altra metà resta in ombra. Questa linea immaginaria che separa la zona illuminata da quella buia si chiama circolo di illuminazione e si sposta continuamente sulla superficie terrestre seguendo la rotazione. Proprio per il fatto che in luoghi diversi il Sole sorge in momenti diversi, è stato necessario suddividere la Terra in 24 fusi orari, ciascuno largo 15 gradi di longitudine, in modo da avere ore convenzionali ragionevoli ovunque. Un primo esempio quotidiano è quello dei viaggi intercontinentali: se parti da Roma alla mattina e atterri a New York nel pomeriggio, ti accorgi che l'orologio segna un orario molto diverso da quello che ti aspetteresti contando le ore di volo, perché hai attraversato sei fusi orari. Un secondo esempio è la diretta televisiva di una partita di calcio giocata in Giappone alle 19:00 locali: in Italia la potrai vedere alle 12:00 della stessa mattina, perché il Giappone è avanti di sette ore rispetto a noi. La rotazione produce anche un altro effetto interessante chiamato forza di Coriolis, responsabile della deviazione apparente delle correnti d'aria e d'acqua, che nell'emisfero boreale tendono a curvare verso destra.
Il moto di rivoluzione
Mentre ruota su sé stessa, la Terra compie contemporaneamente un secondo movimento: gira intorno al Sole descrivendo un'orbita che ha la forma di un'ellisse, come dimostrato da Giovanni Keplero nel diciassettesimo secolo. Questo movimento di rivoluzione si completa in 365 giorni, 6 ore e 9 minuti circa, intervallo chiamato anno siderale, leggermente diverso dall'anno civile che usiamo nel calendario. Proprio le sei ore in più rispetto ai 365 giorni del calendario sono la ragione per cui ogni quattro anni introduciamo un anno bisestile, aggiungendo il 29 febbraio per recuperare il tempo accumulato. La velocità con cui la Terra percorre la sua orbita non è costante: come previsto dalla seconda legge di Keplero, il pianeta si muove più velocemente quando si trova vicino al Sole, al perielio, e più lentamente quando è lontano, all'afelio. Un primo esempio concreto si trova nel calendario: il fatto che febbraio abbia 28 giorni e ogni quattro anni 29 è una conseguenza diretta della durata reale della rivoluzione. Un secondo esempio riguarda le costellazioni che vediamo di notte: in inverno osserviamo Orione brillare nel cielo, mentre in estate la stessa costellazione non è visibile perché si trova dietro al Sole, e al suo posto compaiono Scorpione e Sagittario.
L'inclinazione dell'asse e le stagioni
Le stagioni non dipendono dalla distanza tra la Terra e il Sole, come molti erroneamente pensano, ma dall'inclinazione dell'asse terrestre rispetto al piano dell'orbita, detto piano dell'eclittica. A causa di questa inclinazione di 23,5 gradi, durante l'anno i raggi solari colpiscono i due emisferi con angoli differenti, riscaldandoli in modo diverso e dando origine alle quattro stagioni. Quando l'emisfero boreale è inclinato verso il Sole, intorno al 21 giugno, si verifica il solstizio d'estate, con la giornata più lunga dell'anno e i raggi solari più diretti; nello stesso momento nell'emisfero australe è inverno. Sei mesi dopo, intorno al 21 dicembre, la situazione si rovescia: nell'emisfero boreale si verifica il solstizio d'inverno, con la giornata più corta e i raggi più obliqui. Tra questi due momenti estremi ci sono gli equinozi, intorno al 21 marzo e al 23 settembre, quando il giorno dura quanto la notte in tutto il pianeta. Un primo esempio concreto è la differenza che noti tra estate e inverno: in estate il Sole è alto nel cielo a mezzogiorno e proietta ombre cortissime, mentre in inverno è basso e le ombre risultano lunghissime, perché i raggi arrivano molto più inclinati. Un secondo esempio è la diversità delle stagioni nei due emisferi: quando in Italia è Natale con la neve, in Argentina e Australia si festeggia con i bagni al mare, perché l'inverno boreale corrisponde all'estate australe.
Le zone astronomiche e i circoli notevoli
L'inclinazione dell'asse permette di tracciare sulla Terra alcuni paralleli speciali che dividono il pianeta in zone astronomiche con caratteristiche diverse. I due tropici, quello del Cancro nell'emisfero nord e quello del Capricorno nell'emisfero sud, si trovano a una latitudine di 23,5 gradi e segnano il limite massimo entro il quale il Sole può raggiungere lo zenit, cioè la posizione perfettamente verticale. I due circoli polari, l'Artico a nord e l'Antartico a sud, si trovano invece a 66,5 gradi di latitudine e delimitano le regioni dove almeno una volta all'anno si verificano il sole di mezzanotte e la notte polare. Tra i due tropici si estende la zona torrida o intertropicale, sempre molto calda; tra i tropici e i circoli polari ci sono le due zone temperate, dove vivono la maggior parte degli esseri umani; oltre i circoli polari si trovano le due zone glaciali. Un primo esempio concreto è il fenomeno del sole di mezzanotte: se a giugno ti trovi in Norvegia oltre il circolo polare artico, vedrai il Sole non tramontare mai per diverse settimane consecutive. Un secondo esempio è la posizione dello zenit: a Roma, che si trova oltre il tropico del Cancro, il Sole non sarà mai esattamente sopra la tua testa, mentre a Cuba, situata tra i tropici, può capitare in alcuni giorni dell'anno.
Altri moti minori della Terra
Oltre alla rotazione e alla rivoluzione, la Terra compie altri movimenti che si manifestano su tempi molto più lunghi e furono scoperti solo grazie a osservazioni astronomiche di precisione. Il primo è la precessione degli equinozi, un movimento molto lento dell'asse terrestre che descrive un doppio cono completo in circa 25.800 anni, simile all'oscillazione di una trottola che sta rallentando. A causa di questa precessione, la stella che oggi indica il Polo Nord celeste è la Polare, ma in passato è stata un'altra e tra qualche migliaio di anni il polo sarà puntato verso una stella diversa, fenomeno che gli antichi astronomi avevano già intuito. Un secondo movimento è la nutazione, una piccola oscillazione dell'asse che si sovrappone alla precessione con un periodo di circa 18,6 anni. Esistono anche piccole variazioni dell'eccentricità dell'orbita e dell'inclinazione dell'asse, chiamate cicli di Milankovitch, che si svolgono su periodi di decine di migliaia di anni e si ritiene abbiano influenzato le grandi glaciazioni del passato geologico. Un primo esempio concreto è il calendario egizio: gli antichi egizi notavano che la stella Sirio sorgeva ogni anno con un piccolo ritardo, fenomeno legato proprio alla precessione. Un secondo esempio sono i segni zodiacali: quelli che leggiamo oggi sull'oroscopo non corrispondono più alle costellazioni reali, perché nel corso dei millenni la precessione ha spostato il riferimento celeste di circa un segno intero.
Le prove dei moti terrestri
Per secoli nessuno credeva che la Terra si muovesse, perché sembrava evidentemente ferma sotto i nostri piedi, e furono necessarie prove sperimentali precise per dimostrare il contrario. La prova più famosa della rotazione è l'esperimento del pendolo di Foucault, realizzato a Parigi nel 1851: un lungo pendolo lasciato oscillare liberamente sembra cambiare gradualmente il piano di oscillazione, ma in realtà è la Terra che ruota sotto di esso. Un'altra prova della rotazione è proprio la forza di Coriolis che abbiamo citato prima, responsabile della rotazione caratteristica dei cicloni e degli anticicloni visibili nelle immagini satellitari del meteo. La prova della rivoluzione è invece la parallasse delle stelle vicine, cioè il fatto che alcune stelle sembrano spostarsi leggermente nel cielo durante l'anno, proprio perché noi le osserviamo da posizioni diverse dell'orbita terrestre. Un altro fenomeno legato alla rivoluzione è l'aberrazione della luce stellare, scoperta nel 1728 da James Bradley, che mostra come la direzione apparente delle stelle dipenda dalla velocità con cui la Terra si muove intorno al Sole. Un primo esempio concreto è la forma a spirale dei cicloni tropicali che vedi nelle previsioni del tempo: ruotano in senso antiorario nell'emisfero nord e in senso orario nell'emisfero sud proprio a causa della rotazione. Un secondo esempio sono le immagini satellitari che mostrano la copertura nuvolosa in movimento: i sistemi meteorologici di grande scala disegnano traiettorie curve che sarebbero impossibili su un pianeta fermo.
Ricorda
- La Terra compie principalmente due moti: la rotazione su sé stessa, che dura circa 24 ore, e la rivoluzione intorno al Sole, che dura circa 365 giorni e 6 ore.
- La rotazione avviene da ovest verso est e causa l'alternanza del dì e della notte, oltre alla necessità dei fusi orari.
- La rivoluzione segue un'orbita ellittica, descritta dalle leggi di Keplero, e la sua durata reale spiega l'esistenza degli anni bisestili.
- L'asse terrestre è inclinato di 23,5 gradi rispetto al piano dell'orbita: questa inclinazione, e non la distanza dal Sole, è la causa delle stagioni.
- Esistono moti minori come la precessione degli equinozi e la nutazione, scoperti grazie a osservazioni astronomiche prolungate nel tempo.
- Le prove sperimentali dei moti terrestri sono il pendolo di Foucault per la rotazione e la parallasse stellare per la rivoluzione.
Piccolo esercizio di verifica da svolgere sul quaderno: disegna uno schema con il Sole al centro e la Terra in quattro posizioni corrispondenti al 21 marzo, 21 giugno, 23 settembre e 21 dicembre. Indica per ciascuna posizione l'inclinazione dell'asse, l'emisfero più illuminato e il nome della stagione corrispondente sia per l'emisfero boreale che per quello australe. Sotto il disegno, scrivi tre frasi che spieghino con parole tue perché in estate fa più caldo che in inverno, citando l'angolo di incidenza dei raggi solari e la durata del dì.