IL PIANETA TERRA - La forma, Le dimensioni

Le dimensioni

Non appena si fu affermata l'idea della sfericità,il problema delle misure della Terra fu risolto teoricamente con un ragionamento molto semplice;se si considera la Terra come una sfera perfetta,basta misurare la lunghezza di un qualsiasi arco di meridiano e determinare l'ampiezza dell'angolo al centro ad esso corrispondente,per risalire alla lunghezza dell'intera circonferenza. IL tentativo di cui abbiamo notizie più sicure e che condusse ad un risultato molto più preciso è quello eseguito da Eratostene di Cirene. Egli riteneva che le città di Alessandria d'Egitto e Siene fossero situate sullo stesso meridiano;conosceva la loro distanza,5000 stadi ed inoltre che a mezzogiorno del 21 giugno il Sole era sulla verticale della città e quindi i corpi non producevano ombra. Egli misurò con uno scafe(strumento a forma di emisfera cava graduata con al centro uno stilo)l'angolo che i raggi del Sole formavano con la verticale in quello stesso istante ad Alessandria:risultò pari a 1/50 della misura angolare di una intera circonferenza. Moltiplicando poi il valore lineare dell'arco,cioè 5000,per 50 ottenne per la circonferenza terrestre meridiana la lunghezza di 250000 stadi egiziani corrispondenti a 39375 km.

7° : 5000 = 360° : x

Misura degli oggetti

Lo schiacciamento polare della Terra era stato messo in evidenza mediante le osservazioni del moto oscillatorio del pendolo compiute dall'astronomo francese J.Richer. Questi aveva constatato che un pendolo regolato a Parigi esattamente sul secondo,trasferito alla Caienna presentava oscillazioni più lente anche perché Parigi si trova più vicina al polo. Dato che il periodo di oscillazione di un pendolo è inversamente proporzionale all'accelerazione di gravità,il fenomeno osservato venne attribuito alla diminuzione della forza di gravità nella zona equatoriale(T=2π √l/g dove T è il periodo,l la lunghezza del pendolo e g l'accelerazione di gravità).

Il reticolato geografico

La Terra viene divisa in due emisferi: quello settentrionale o boreale al polo Nord,quello meridionale o australe al polo Sud. Che determinerà la massima circonferenza equidistante dai poli,l'Equatore. L'intersezione tra la superficie terrestre ed altri piani perpendicolari all'asse sarà rappresentata da altri circoli chiamati paralleli. Se poi immaginiamo di tagliare la sfera con dei piani contenenti l'asse avremo tanti circoli massimi tutti uguali tra loro e passanti per i poli,chiamati meridiani. Naturalmente essendo delle linee immaginarie i paralleli ed i meridiani sono in numero infinito però si dice che i meridiani sono 360 mentre i paralleli 180(90 a Nord e 90 a Sud).La rete dei meridiani e paralleli che si possono tracciare sulla sfera terrestre rappresenta il reticolato geografico che ci permette di determinare la posizione assoluta di un punto sulla superficie della Terra. Le coordinate geografiche sono la latitudine e la longitudine. La latitudine è la distanza angolare di un punto dall'Equatore e può essere Nord o Sud a seconda che il punto si trovi nell'emisfero nord o sud dell'Equatore. La longitudine è la distanza angolare di un punto da un determinato meridiano,può essere Est o Ovest a seconda che il punto si trovi a est o a ovest del meridiano di Greenwich (meridiano 0).

I movimenti della Terra

Il nostro pianeta si muove in maniera complessa essendo dotato di diversi moti simultanei che si effettuano con velocità e durate differenti. Tali moti possono essere distinti in tre gruppi:1)movimenti che si ripetono in tempi relativamente brevi producendo effetti geografici molto importanti;2)movimenti che si ripetono in tempi lunghi e producono effetti geografico-geologici di grande interesse ma non rilevabili nella vita umana;3)movimenti insieme al Sole e alla Galassia. I moti principali sono quelli di rotazione(intorno all'asse)e di rivoluzione(intorno al Sole);poi abbiamo quelli secondari o millenari.

Fondamentale è il moto di rotazione che la Terra compie intorno al proprio asse,da Ovest verso Est. La durata di questo movimento che si può ritenere uniforme è di 24 ore circa,cioè un giorno sidereo. La velocità angolare di rotazione è identica a tutte le latitudini,fatta eccezione per i poli,dove è nulla. La velocità lineare è invece molto variabile con la latitudine e va diminuendo verso i poli. E' molto importante anche il moto di rivoluzione che la Terra compie descrivendo un'orbita ellittica intorno al Sole in senso antiorario immaginando di osservare il movimento dal Polo nord celeste;questa è un'ellisse pochissimo schiacciato,tanto da potersi quasi assimilare ad una circonferenza;la sua eccentricità,ossia il rapporto tra la distanza del Sole dal centro dell'ellisse e la lunghezza del semiassi maggiore dell'ellisse stessa. Interessanti sono anche i moti che la Terra compie in tempi lunghi nell'ordine dei millenni e che perciò vengono denominati moti millenari che possono essere considerati come delle perturbazioni dei due movimenti principali. Altri movimenti coinvolgono la Terra in quanto facendo parte del Sistema solare della Galassia e dell'Universo:il moto di traslazione che la Terra esegue assieme al Sole e agli altri corpi del Sistema solare in direzione della Costellazione di Ercole;la partecipazione al moto di recessione della Galassia,cioè alla probabile espansione dell'Universo.

Prove e conseguenze della Rotazione terrestre

Una prima prova si può desumere dall'esame dall'apparente spostamento diurno dei corpi celesti da est a ovest che può essere spiegata sia con un movimento di rotazione degli astri intorno alla Terra,sia con una rotazione in senso contrario della Terra su se stessa. Un'altra prova indiretta della rotazione terrestre può essere ricavata dall'analogia con gli altri pianeti:tutti quanto mostrano un evidente moto rotatorio assiale e non abbiamo motivo che solo il nostro pianeta debba esserne privo.

Altre prove vengono dedotte da alcuni esperimenti di fisica come la caduta dei corpi liberi:un grave che viene lasciato cadere da un punto elevato sulla superficie terrestre devia la verticale del punto di partenza e giunge sul suolo spostato verso est. Questo fenomeno venne verificato da Guglielmini facendo numerose prove dalla torre degli asinelli di Bologna osservando uno spostamento di 17 mm per un'altezza di caduta di circa 100 m(esperienza di Guglielmini). Nel 1851 Foucault eseguì nel Panthèon di Parigi un'esperienza che da lui prese il nome consistente nell'osservare lo spostamento del piano di oscillazione di un pendolo(68m) rispetto agli oggetti terrestri facendo sospendere alla cupola del Panthèon un pendolo costituito da un filo molto lungo a cui era sospesa una sfera(30kg). Alla sfera applicò un'asticina che sfiorava un gran disco posto sul pavimento sul quale era stata cosparsa della sabbia;dai segni che l'asticina lasciava sulla sabbia si potè osservare che il piano delle oscillazioni pendolari girava in senso orario per chi guardasse il pendolo dall'alto. Inoltre l'angolo formato dal pendolo non era uguale in tutti i punti [α=360°sen ρ] Una prova possiamo scorgerla anche nella variazione dell'accelerazione di gravità con la latitudine. Lo spostamento della direzione dei corpi in moto sulla superficie terrestre costituisce una conseguenza importante. Può essere espresso dalla legge di Ferrel:"a causa della rotazione terrestre un corpo qualsiasi che si muova sulla Terra viene deviato dalla sua direzione iniziale verso destra(nord) e sinistra(sud)".

Prove e conseguenze della rivoluzione terrestre

Vi sono diverse prove che dimostrano l'esistenza effettiva di un movimento di rivoluzione da parte del nostro pianeta intorno al Sole. Tra le prove indirette del moto di rivoluzione terrestre possiamo considerare l'analogia con gli altri pianeti del Sistema solare. Inoltre la periodicità annua di alcuni gruppi di stelle cadenti dovrebbe indicare che la Terra si muove nello spazio descrivendo un'orbita di forma tale che le consenta di passare periodicamente attraverso regioni in cui sono presenti sciami di materia cosmica. La prova indiretta e più sicura è fornita da Bradley:l'aberrazione della luce proveniente dagli astri. Quando noi osserviamo una stella,la direzione secondo cui la vediamo non è quella effettiva ma è solo una direzione apparente. Se usiamo un telescopio dobbiamo inclinarlo in avanti,nel senso del moto di rivoluzione della Terra. Il fenomeno è spiegabile con il fatto che la luce proveniente dall'astro che vogliamo osservare impiega un certo tempo a percorrere l'asse ottico del telescopio e ad arrivare fino al nostro occhio,e nel frattempo noi ci spostiamo in un punto dell'orbita terrestre che non è più quello di prima;l'angolo tra la direzione vera e quella apparente rappresenta quindi l'inclinazione della risultante tra la velocità di propagazione della luce e la velocità di rivoluzione della Terra.

Nel movimento che il Sole compie intorno alla Terra,esso si sposta da un emisfero all'altro mantenendosi per 6 mesi a Nord dell'Equatore e per altri 6 mesi a Sud. I due punti in cui la traiettoria solare attraversa l'equatore celeste sono gli equinozi(21 marzo e 23 settembre) e qui il giorno e la notte presentano la stessa durata. Le massime elevazioni a Nord e a Sud rispetto al piano equatoriale terrestre il Sole le raggiunge in due posizioni che vengono dette solstizi(21 giugno e 22 dicembre). Nei periodi che intercorrono fra queste quattro posizioni,le condizioni di illuminazione sono intermedie a quelle descritte e variano progressivamente dall'una all'altra di esse e per questo si ha l'alternarsi delle stagioni.   Conseguenze

Il ciclo quotidiano del giorno e della notte

A causa della forma sferica della Terra,i raggi solari illuminano in ogni istante solo la parte di superficie terrestre che è rivolta verso il Sole;se la Terra fosse immobile metà della sua superficie sarebbe sempre nell'oscurità e soffrirebbe un freddo glaciale;la rotazione si compie invece in un tempo più breve e si ha un periodo di illuminazione che chiamiamo dì ed uno di oscurità che chiamiamo notte. L'emisfero illuminato è diviso da quello in ombra da un circolo massimo chiamato d'illuminazione. Il passaggio dal dì alla notte è graduale a causa della presenza dell'atmosfera.

I moti terrestri con periodi millenari

L'azione gravitazionale che gli altri corpi del Sistema solare esercitano sul nostro pianeta provoca anche altre variazioni nella posizione della Terra nello spazio,dando luogo ad alcuni movimenti che sono più lenti di quelli di rotazione e di rivoluzione. A causa della loro lentezza si fanno risentire con una certa intensità solo nel corso dei millenni tanto che poi si hanno i cosiddetti moti millenari della Terra. Esaminando il moto annuo della Terra,l'asse terrestre si mantiene parallelo a se stesso nel corso della rivoluzione;in realtà ciò è vero solo se si considerano tempi non troppo lunghi:la sua direzione va lentamente mutando,infatti l'attrazione combinata che il Sole e la Luna esercitano sull'Equatore tende a far coincidere il piano di quest'ultimo con il piano dell'orbita,cioè a raddrizzare l'asse terrestre;a ciò si oppone però la rapida rotazione della Terra che tende a mantenere immutata la posizione dell'asse: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 moto doppio-conico,detto precessione luni-solare,avviene in senso contrario a quello di rotazione terrestre e si compie in 26000 anni circa affinché l'asse descriva un doppio-cono e ritorni nella posizione di partenza.

Le unità di misura del tempo

Fin dall'antichità è apparso chiaro che uno dei moti fondamentali a cui si può far riferimento per la misura del tempo è quello che la Sfera celeste compie intorno all'asse del mondo assieme al Sole e su questo moto sono stati regolati gli orologi e le principale unità di misura del tempo sono il giorno e l'anno.

Due diverse durate del giorno

Per giorno si intende il periodo di tempo che la Terra impiega per compiere una rotazione intorno al proprio asse. Possiamo distinguere due tipi di giorno:

Il Giorno sidereo è la durata del periodo di rotazione di un pianeta attorno al suo asse. Viene determinato misurando il tempo necessario a fare ritornare il pianeta nella stessa posizione rispetto alle stelle e dura 23h56m4s.

Il Giorno solare si calcola invece misurando il tempo impiegato da un punto per tornare nella stessa posizione rispetto al sole: siccome nel corso della giornata il pianeta si muove anche intorno al sole,il punto dovrà percorrere un angolo leggermente superiore ai 360° per tornare nella stessa posizione rispetto al sole, per cui il giorno solare risulta più lungo del giorno siderale. Di conseguenza in un anno c'è esattamente un giorno siderale in più dei giorni solari.

Fa parte del giorno solare il secondo che è stato assunto come unità fondamentale di intervalli di tempo in tutti i principali sistemi di misura. Però nel Sistema Internazionale di Unità è stato adottato un secondo campione definito come la durata di 9 miliardi di oscillazioni della radiazione emessa dall'atomo di cesio 133;questo processo determina il tempo atomico.

Due diverse durate dell'anno

Anche per il moto di rivoluzione della Terra intorno al Sole,e quindi per l'anno,occorre fare una distinzione:a seconda di come si considera tale movimento,è possibile distinguere due tipi di anno:

Per anno sidereo si intende il periodo della rivoluzione terrestre e corrisponde all'intervallo di tempo che passa fra due ritorni consecutivi del Sole nella stessa posizione fra le stelle ed ha la durata di 365d6h9m10s.

L'anno tropico o solare è invece il tempo che intercorre fra due passaggi successivi del Sole allo Zenit dello stesso tropico,cioè fra due solstizi dello stesso nome;la sua durata è di 365d5h46s,circa 20 min più breve di quella dell'anno sidereo;questa differenza  dovuta alla processione degli equinozi.

Nella pratica però non è possibile utilizzare l'anno tropico con la sua durata effettiva,dato che essa non corrisponde ad un numero intero di giorni;per ovviare a questo inconveniente,si è resa necessaria l'introduzione dell'anno civile formato appunto da un numero non frazionato di giorni.

Il tempo vero,il tempo civile e i fusi orari

L'ora vera o locale che si determina facendo riferimento al passaggio del Sole sul meridiano del luogo,non è adatta per regolare i rapporti tra i vari Paesi situati a longitudini diverse. Per evitare gli inconvenienti connessi ad un eventuale uso dell'ora vera,diversi stati decisero di adottare per tutto il loro territorio un'ora convenzionale unica,detta ora nazionale corrispondente a quella vera del meridiano passante per la capitale. La superficie terrestre è divisa in 24 spicchi,detti fusi orari,limitati da meridiani distanti 15° in longitudine e quindi con differenze di 1h l'uno dall'altro e per questo ad ogni luogo corrisponde un determinato tempo civile. Il primo fuso si estende per 7°30' ad Est e ad Ovest del meridiano di Greenwich ed i luoghi in esso compresi adottano il tempo civile di Greenwich che viene considerato come riferimento e perciò è detto tempo universale. L'Italia adotta l'ora del meridiano passante per l'Etna.