Dispensa di astronomia

Le muse sono figlie di Zeus e di Mnemosine, il cui nome vuol dire “Memoria”.. Le Muse presiedono al pensiero in tutte le sue forme: poetico, teatrale, musicale, figurativo…. quella rappresentata nella figura è
Urania la musa dell’ astronomia 

L'orizzonte locale e orizzonte celeste

Un giorno siamo andati in un luogo aperto, ci siamo disposti in cerchio, ci siamo rivolti all'esterno e abbiamo fatto un disegno, ma avremmo potuto anche scattare delle fotografie. Unendo le foto e i disegni si può ricostruire un anello che segue tutto intorno l'anello dell'ORIZZONTE. Orizzonte locale
L'orizzonte è la linea che separa, ai nostri occhi, il cielo dalla terra.
Intorno a noi possiamo identificare diversi punti di riferimento a noi noti. Anche in un altro luogo potremmo vedere l'orizzonte come un grande anello tutto intorno, ma ci mancherebbero dei punti di riferimento di quel luogo.
Per questo gli uomini hanno, fin  dai tempi antichi, utilizzato i punti di riferimento celesti che sono presenti ovunque.
Il cielo, visto dalla terra, appare come una grande cupola che ha la forma di una mezza sfera.
La porzione di cielo visibile da un punto sulla terra è molto più grande della porzione di terra perché il cielo è molto distante. Mentre l'orizzonte locale mi permette di vedere al massimo ad alcune centinaia di chilometri di distanza, la porzione di sfera celeste visibile è tutta quella che sovrasta l'emisfero della terra il cui punto centrale è quello in cui mi trovo. Posso quindi parlare di un orizzonte celeste che delimita la mia visione del cielo a 90° dal mio punto di osservazione. Il punto centrale, in verticale sulla nostra testa si chiama ZENIT.
Abbiamo avuto esperienza di questo quando abbiamo guardato il cielo nelle notti estive e quando siamo andati al Planetario dove ci hanno mostrato le costellazioni e il movimento del sole durante il giorno. Cupola e orizzonte celeste 
Le cose però cambiano a seconda del punto della Terra in cui mi trovo. Per fare un esempio pratico se mi trovo al polo nord potrò vedere tutta da porzione di cielo che sovrasta l'emisfero nord della Terra, se mi trovo sull'equatore, invece, il mio orizzonte celeste passerà esattamente dai due poli.
dalla terra da fuori   

Nel cielo diurno vediamo muoversi il sole: la luce del sole ci impedisce, di giorno, di vedere le altre stelle.
Durante il giorno posso orientarmi guardando la posizione del sole. E' proprio in base alla posizione del sole nel cielo che sono stati definiti i punti cardinali.
Il sud è il punto in cui si trova il sole a mezzogiorno esatto, cioè nel punto più alto del suo arco quotidiano. Il punto opposto al sud si chiama nord.
http://astro.unl.edu/naap/motion3/animations/sunmotions.html   

All'alba e al tramonto, invece, il sole si trova invece in posizioni diverse nei vari giorno dell'anno, trovandosi esattamente a est e a ovest soltanto nei giorni degli equinozi di primavera e di autunno.
Per individuare i punti cardinali gli uomini hanno inventato un semplice strumento: la bussola.
La bussola non funziona con il sole, ma si basa sul campo magnetico del polo nord della terra.
La bussola è formata da un ago magnetizzato che galleggia sull'acqua. Essendo libero di muoversi l'ago ruota sempre la punta verso il polo nord e in questo modo ci indica sempre la direzione nord.
Per orientarmi in un luogo sconosciuto ho bisogno di avere, oltre ai punti di riferimento cardinali, una carta del luogo. Orientando la carta in base ai punti cardinali mi posso muovere senza perdermi.
Durante la notte posso utilizzare come punti di riferimento le stelle. Anche le stelle, però, ruotano nel corso della notte in relazione al movimento di rotazione della terra.
In direzione nord, però, è sempre visibile la stella polare che, trovandosi proprio allo zenit del polo nord, non risente della rotazione della Terra e ci appare quindi sempre ferma nello stesso punto. La stella polare è sempre stato un importantissimo punto di riferimento per i viaggiatori, che avevano molta paura ad avventurarsi a sud dell'equatore dove la stella polare non è più visibile.

Nord geografico e nord magnetico
Stellarium (scaricalo http://www.stellarium.org/it/): moto notturno della stella polare

Ciclo giornaliero del sole

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

La meridiana o lo gnomone: nel corso del giorno l’ombra varia la sua lunghezza e la sua direzione; l’ombra più corta si ha quando è mezzogiorno; la direzione dell’ombra a mezzogiorno indica il Nord, in quel momento il sole si trova a Sud. Ombre

 Abbiamo anche fatto esperienza dello spostamento del sole nel cielo attraverso le prove con il buco di sole.
Per misurare l’altezza del sole sull’orizzonte non posso usare il righello, ma devo usare un angolo che è indipendente dalla lunghezza dei lati.
Ombre dello gnomone    

ombra della casa

giro delle ombre
moto apparente giornaliero

osservazioni sulle ombre

    

Il percorso del sole e l’altezza massima che il sole raggiunge a mezzogiorno (culmine) cambiano un pochino ogni giorno nel corso di un anno.

  

Altezza ed sole e radiazione luminosa

IL CIELO DI NOTTE

Nel corso della notte la stella polare ci appare sempre ferma nello stesso punto mentre le altre stelle ci sembrano ruotare tutte intorno a lei.

Moto del piccolo e grande carro a Modena

ANCHE LE STELLE SI MUOVONO: il cielo ruota su di noi

 

Osserviamo le costellazioni che vediamo ad Est, subito dopo il tramonto, poi dopo poche ore…: esse si sono spostate verso Ovest

 

Osserviamo ora l’Orsa Maggiore: mentre le costellazioni si spostano, essa ruota su se stessa, facendo perno sulla Stella Polare

Il cielo ruota su di noi

Il globo

Quello che chiamiamo generalmente MAPPAMONDO ha un nome geografico più esatto: GLOBO.
Il globo è una rappresentazione del nostro pianeta. Come tutte le rappresentazioni, pur tentando di essere il più possibile simile alla realtà, è in parte frutto di regole arbitrarie. Così, ad esempio, il fatto che sia fissato al piedistallo proprio sui poli permette di simulare il moto di rotazione della Terra. Un globo fissato ad un supporto mobile ci permetterebbe di sperimentare i punti di vista diversi sulla Terra.
E’ una regola arbitraria quella di posizionare in alto il POLO NORD e in basso il POLO SUD; infatti la Terra è un corpo celeste immerso nello spazio dove non ha senso parlare di un sopra e di un sotto.
Sul globo puoi notare un reticolo di linee che sono state tracciate dai geografi (sulle carte, non nella realtà!) come sistema di riferimento per individuare i vari punti.
Conosciamo come sistema di riferimento il reticolo del piano cartesiano, cioè una quadrettatura di linee di solito orizzontali e verticali numerate. In questo modo ogni punto del piano può essere individuato come incrocio di due linee perpendicolari e definito con la coppia ordinata dei numeri che rappresentano quelle linee.
Il reticolo che ricopre il globo non può essere un piano cartesiano perché la superficie del globo è curva. Abbiamo visto che dobbiamo porre l’origine del sistema di riferimento al centro della Terra. Le linee orizzontali diventano quindi cerchi paralleli tra loro e si chiamano appunto PARALLELI, le linee verticali passano tutte dai poli suddividendo la Terra in tanti spicchi e si chiamano MERIDIANI .
Anche stendendo il globo su di un planisfero (cosa che, con l’esperienza della buccia del mandarino, abbiamo visto impossibile, o forse possibile solo in teoria – se ogni spicchio fosse solo una linea) il sistema di riferimento terrestre e le coordinate dei punti sulla Terra rimangono gli stessi.
Coordinate astronomiche

I PARALLELI

I paralleli sono cerchi concentrici che partendo dai poli si allargano via via fin al cerchi più grande che si trova proprio a metà strada tra i due poli e che come sappiamo si chiama EQUATORE.
Alcuni particolari paralleli, come l’EQUATORE, il TROPICO DEL CANCRO, il  TROPICO DEL CAPRICORNO, il CIRCOLO POLARE ARTICO e il CIRCOLO POLARE ANTARTICO delimitano le fasce della Terra nelle quali si verificano particolari fenomeni stagionali che studieremo di seguito.
I paralleli sono numerati in modo progressivo  da 0° (equatore) fino a 90° (poli) per ciascun emisfero. I numeri sono espressi in gradi perché si immagina un angolo il cui vertice è posto dentro al centro della Terra.

Modena

 

Con i paralleli si può stabilire la distanza in gradi di un punto dall’equatore.
Tale distanza viene detta LATITUDINE NORD se ci si sposta a nord dell’equatore, LATITUDINE SUD se ci si sposta verso sud.
La latitudine di Modena è di circa 45° Nord.

 

I MERIDIANI

Le semicirconferenze che uniscono il polo nord al polo sud si chiamano meridiani.
Il termine deriva dal latino “meridies”, che significa “mezzogiorno”, poiché ogni meridiano unisce tutti i punti della terra dove è mezzogiorno nello stesso momento.
Mentre i paralleli sono di diversa lunghezza, i meridiani sono tutti uguali (non sono però paralleli tra loro) quindi la scelta del meridiano fondamentale (0°) è stata arbitraria, decisa a Greenwich da una conferenza di studiosi nel 1884. I meridiani sono numerati un modo progressivo da 0°  (Greenwich) a 180° .           
Meridiano di
Greenwich 0° OVEST                                                    

La distanza in gradi di un punto dal meridiano di Greenwich è detta LONGITUDINE EST se ci si sposta ad est di Greenwich e LONGITUDINE OVEST se ci si sposta verso ovest.

IL CLIMA E LA LATITUDINE

I raggi solari raggiungono la superficie della Terra in modo diverso alle diverse latitudini.

 

Dal disegno si può notare che il medesimo raggio di sole al polo deve riscaldare  un’area  grande, all’equatore un’area piccola.
Al polo il sole si vede infatti sempre basso sull’orizzonte (le ombre sono lunghe e il sole scalda poco) mentre all’equatore il sole di mezzogiorno è proprio in mezzo al cielo (le ombre sono corte e il sole scalda moltissimo).
Più mi avvicino all’equatore (alle basse latitudini) più troverò climi caldi, più mi avvicino ai poli (la latitudine aumenta) più troverò climi freddi.  

Le coordinate terrestri
                               

Puoi fare prove su latitudine e longitudine
con Google Earth o con i satellitari

 

      

 

 

 

 

 

Durante l’anno l’ombra dello gnomone varia in lunghezza  e direzione nelle stesse ore di giorni diversi

 

Anche dalla scheda precedente, sulla durata del dì e della notte nelle varie stagioni si capisce che in inverno l’arco percorso dal sole durante il dì è il più corto, in estate è il più lungo. Le ombre di mezzogiorno non variano in direzione, ma solo in lunghezza: l’ombra più corta è in estate (il sole è “più alto nel cielo”) , l’ombra più lunga è in inverno (il sole è più basso nel cielo e i raggi arrivano più obliqui).

I cambiamenti annuali del percorso del sole sono dovuti all’inclinazione dell’asse terrestre rispetto al circolo di illuminazione e sono quelli che determinano le stagioni.
L’asse terrestre risulta inclinata di 23° rispetto la direzione nord – sud

E infatti, durante le stagioni, cambia il circolo d’illuminazione
Se pongo un’arancia, che è sferica come la terra, davanti a una sorgente di luce, essa si presenterà sempre per metà illuminata e per metà in ombra
La linea di separazione tra la parte di  luce e la parte di ombra è chiaramente, un cerchio, che viene chiamata circolo d’illuminazione. Il circolo d’illuminazione varia durante l’anno. I raggi del sole non       sono sempre perpendicolari all’equatore.

 

Inverno Il sole, nel suo moto apparente, passa perpendicolarmente a punti dell’emisfero australe (più a sud dell’equatore) tropico del capricorno

 

Primavera Autunno Il sole passa perpendicolarmente ai punti dell’equatore

 

Estate Il sole, nel suo moto apparente, passa perpendicolarmente a punti dell’emisfero boreale (più a nord dell’equatore) tropico del cancro

 

L’eclittica, ovvero Ciclo annuale del sole

Osservazioni sulle ombre

altezza del sole a mezzogiorno in diversi giorni dell’anno

Osservazioni sull’arco solare

Nel corso dell’anno cambiano anche i punti dell’orizzonte dai quali il sole sorge e tramonta.

L’arco più lungo viene percorso dal sole il 21 giugno, solstizio d’estate, in quel giorno il sole sorge a nord est, tramonta a nord ovest e raggiunge a mezzogiorno l’altezza di 67° (45° + 23°).
L’arco più breve viene percorso dal sole il 22 dicembre, solstizio d’inverno, in quel giorno il sole sorge a sud est, tramonta a sud ovest e raggiunge a mezzogiorno l’altezza di 22° (45° - 23°).
Nei giorni degli equinozi (21 marzo e 23 settembre) il sole sorge perfettamente a est e tramonta a ovest: a mezzogiorno la sua altezza è di 45°.
Il moto apparente del Sole non è sempre lo stesso in tutti i giorni dell’anno.

Cos’è il moto apparente dei corpi celesti

La sfera celeste si muove  su di noi come se ruotasse: chiamiamo questi movimenti MOTI APPARENTI  perché gli spostamenti che vediamo non rispecchiano la realtà ma solo il nostro punto di vista e sono dovuti soprattutto agli spostamenti della Terra.

I corpi celesti che vediamo “incollati” sulla sfera sono:

• le STELLE FISSE

sono le costellazioni che formano il disegno del cielo, come un tappeto che riveste la sfera celeste. Le stelle fisse sono in realtà soli e galassie così lontane dalla Terra che non possiamo accorgerci dei loro movimenti.

• Le STELLE MOBILI

che compaiono in punti diversi sullo sfondo del cielo. Sono il sole,  la luna e gli altri pianeti del sistema solare. I pianeti ci appaiono come punti luminosi, simili alle stelle vere  perché, come la luna, riflettono la luce del sole: si possono distinguere dalle stelle vere perché la loro luce non è pulsante.

                                                     Moto apparente del sole

Il giro che fa il Sole, apparentemente, attorno alla terra, in un giorno, varia al variare delle stagioni, spostando la sua inclinazione a Nord o a Sud dell’equatore. Questo “spostamento di giro” durante un anno è ciclico (sempre uguale, ogni anno) e si può rappresentare con una curva : l’eclittica

L’eclittica

moto apparente del sole a diverse latitudini
Moti solari a diverse latitudini

I movimenti apparenti della sfera celeste sole cambiano secondo il luogo della Terra da cui li guardo perché quando cambia la latitudine del luogo in cui mi trovo il mio orizzonte celeste cambia.
Per esempio noi non vediamo mai il sole dritto sopra alla nostra testa (ALLO ZENIT) invece all’equatore il sole è sempre alto nel cielo.
Per precisione l’equatore è la latitudine alla quale due volte all’anno, nei giorni degli equinozi, il sole si trova, a mezzogiorno, esattamente allo zenit.
Nei giorno del solstizio estivo il sole di mezzogiorno si trova spostato di 23° verso nord  d’estate e di 23° verso sud d’inverno.
I tropici sono tracciati alla latitudine di 23° cioè dove il sole almeno un giorno  all’anno, raggiunge lo zenit. Il sole raggiunge lo zenit il 21 giugno al tropico del cancro e il 22 dicembre al tropico del capricorno.
Al  polo nord, nel giorno dell’equinozio di primavera,
il sole gira tutto intorno all’orizzonte senza mai tramontare ne salire. Nei giorni successivi salirà sempre diun po’ ma continuando a girare ad anello. Raggiunto il giro più alto nel giorno del solstizio d’estate (l’altezza massima sull’orizzonte è di 23°) il sole ricomincia a scendere e si ritrova a percorrere l’orizzonte nel giorno dell’equinozio di autunno. Da quel giorno il sole rimane  sotto alla linea dell’orizzonte e non sarà più visibile per sei mesi.  Lo stesso si verifica al polo sud, ma con le stagioni invertite.
Il circolo polare artico è tracciato a 67° (90°-23°) di latitudine cioè nel punto della terra dove un giorno all’anno (il solstizio d’estate)  il sole non tramonta mai e un giorno all’anno (il solstizio d’inverno) il sole  non sorge. Lo stesso si verifica al circolo polare antartico, ma con le stagioni invertite. Una diversa per il Nord e
una per il sud

moto apparente delle stelle a diverse latitudini
Moti delle stelle a diverse latitudini
Anche le stelle notturne cambiano se mi sposto a diverse latitudini della terra: al polo nord la stella polare si trova allo zenit, quindi nel corso della notte tutte le altre stelle fisse gli girano intorno; all’equatore invece la stella polare si trova all’orizzonte, quindi tutte le altre stelle fisse nel corso della notte attraversano il cielo formando un arco.

Moti reali: Rotazione

È il moto della terra intorno ai poli che la Terra fa ogni giorno e che determina il dì e la notte e che noi vediamo come l’arco che il sole percorre ogni giorno.

  

Con il mappamondo e il proiettore si può simulare questo fenomeno: posizionando sull’Italia un omino di pongo si osserva che, mentre la terra ruota, dal suo punto di vista il sole sorge, culmina, tramonta e scompare per metà del giro.  
Se posizioniamo due omini, uno in Italia e uno da Abdil, in Tunisia, notiamo che entrambi vedono la stessa cosa. Se invece posizioniamo un omino a casa dei nonni di Nitu, in Bangladesh, vediamo che per loro il sole sorge prima e tramonta prima rispetto all’Italia. In effetti si dice che usiamo FUSI ORARI diversi.
Se unisco tra loro tutti i punti della terra nei quali il sole si trova nello stesso istante al culmine del suo percorso ottengo una linea che attraversa in globo dal polo nord al polo sud e ritrovo il vecchio  MERIDIANO o anche sul meridiano.
Se invece dispongo i miei omini di pongo alla altezza dell’Italia, ma disposti tutti intorno all’asse di rotazione della terra ogni omino si trova in un FUSO ORARIO diverso. Fusi orari
Rotazione ed ipotesi

L’ipotesi che fosse la Terra a muoversi, e non il sole, fu formulata per la prima volta da un greco, Aristarco di Samo, che tutti pensavano in torto, ma che fu in grado, in base alla sua teoria, di determinare esattamente la circonferenza della terra.
Quest’ipotesi fu ripresa solo alla fine del 1500 da Copernico (ipotesi copernicana), fu perfezionata da Galileo  e fu confermata soltanto all’inizio del 1700 da Newton, che spiegò le leggi dell’universo con la teoria della gravitazione universale.
La prova sperimentale della rotazione terrestre è stata data nel 1800 da Foucoult, che appese un lungo pendolo al centro della cupola di una chiesa di Parigi; la punta di questo pendolo toccava il pavimento su cui era sparsa della sabbia. Facendo funzionare il pendolo per 24 ore, la sua punta traccia nella sabbia le oscillazioni in varie direzioni, poiché la terra ruota per di sotto, e si forma una figura di questo tipo:
Animazione Pendolo di Faucoult

RIVOLUZIONE TERRESTRE
Animazione rivoluzione una  una’altra ancora     e una ancora
La terra gira attorno al sole descrivendo un’orbita ellittica intorno al sole (che occupa uno dei due fuochi, non proprio il centro come sembra nel disegno!). In questo modo (data l’inclinazione dell’asse terrestre) si ha l’alternarsi delle stagioni.

Prove della rivoluzione
Per molto tempo, almeno fino alla scoperta di Newton, che spiegava come fosse la terra, che ha massa minore del sole, a dover girargli attorno, per contrastare la forza di gravità che l’attira verso di esso, non ci fu nessuna prova certa per dimostrare il moto di rivoluzione della terra. Esistono alcune prove sperimentali molto complicate, ma la prova più lampante l’ha avuta l’uomo andando nello spazio!
PER STUDIARE
cosa devi sapere
Cos’è l’orizzonte (linea immaginaria…).
Poli, zenit.
Quali e cosa sono i punti cardinali (dove si trovano, anche nelle mappe); stella polare (e come si trova), bussola.
Cos’è lo gnomone, come cambiano le ombre durante il giorno (lunghezza, angolo di altezza del sole).
Stelle circumpolari e rotazione del cielo notturno.
Cosa sono e come si trovano longitudine e latitudine (meridiani e paralleli, Greenwich, equatore).
Diversi effetti sulla terra dei raggi del sole (clima).
Cambiamento dell’arco solare durante l’anno, altezza del sole a mezzogiorno (ombre e buco di sole), durata diversa del dì e della notte nelle diverse stagioni.
Equinozi, solstizi e date.
Asse terrestre e circolo di illuminazione.
Eclittica.
Costellazioni dello zodiaco, triangolo estivo ed invernale.
Moto apparente a Modena, all’equatore, ai tropici, ai poli.
Rotazione (saperla simulare e fare previsioni) e prove (storia, Foucoult).
Rivoluzione (saperla simulare e fare previsioni).