In questa pagina vengono proposte delle esperienze didattiche che possono essere d'aiuto nella comprensione delle posizioni reciproche dei due corpi celesti terra e sole nei vari periodi dell'anno, le quali sono a loro volta le principali responsabili dei cambiamenti climatici stagionali nelle varie zone della terra.

La terra è un pianeta che orbita intorno alla stella che chiamiamo sole. I movimenti che la terra compie sono molteplici, ma quì ne prenderemo in considerazione soltanto due: il moto di rotazione e il moto di rivoluzione intorno al sole. Vedremo come l'interazione tra questi due movimenti è responsabile di alcuni fenomeni come l'alternarsi del dì e della notte e l'alternarsi delle stagioni durante l'anno.

Il moto di rotazione è quello che la terra compie intorno al suo asse. Il tempo necessario a compiere un intero giro è (mediamente) di 24 ore, se si prende come riferimento il sole, e viene detto "giorno solare medio" (o, più semplicemente, "giorno").

Il moto di rivoluzione è quello che la terra compie intorno al sole. La sua durata è di circa 365 giorni e sei ore. L'orbita della terra (l'insieme di tutte le posizioni occupate dal pianeta durante la sua rivoluzione) è ellittica, ma molto poco "schiacciata", quindi è molto simile a una circonferenza.

L'orbita della terra individua un piano nello spazio, che viene definito "piano dell'eclittica" e contiene anche il centro del sole.

In questa figura è schematizzata la terra e la sua orbita. Il disco bianco al centro rappresenta il sole. Le dimensioni della terra e del sole e la distanza tra i due corpi celesti non sono in scala (nella realtà il sole è molto più grande rispetto alla terra e la distanza terra-sole è molto più grande rispetto a entrambi i corpi celesti). In giallo è schematizzato il piano dell'eclittica, cioè il piano che contiene l'orbita della terra e il sole.

L'asse di rotazione non è perpendicolare al piano dell'eclittica, ma è inclinato di circa 23° 27' (poco meno di 23 gradi e mezzo) rispetto ad una retta immaginaria perpendicolare a tale piano. La figura sotto schematizza questa situazione ^[2].

Nella figura si possono vedere il piano dell'eclittica e l'asse di rotazione della terra, che forma un angolo di 23° 27' con una retta perpendicolare a tale piano (rappresentata tratteggiata).

Durante il moto di rivoluzione l'asse terrestre si mantiene parallelo alla sua direzione iniziale, come si può vedere nella figura sotto ^[3]. Questo fa sì che in diversi periodi dell'anno la posizione dell'asse rispetto al sole è diversa. Nella figura si può vedere che nella posizione rappresentata a sinistra (che si verifica il 21 giugno di ogni anno), il polo nord è rivolto verso il sole, mentre il polo sud è in ombra. La situazione opposta si verifica il 21 dicembre ed è rappresentata nella parte destra della figura. Nelle posizioni intermedie (al centro in alto e al centro in basso nella figura), che si verificano il 21 marzo e il 23 settembre), il circolo d'illuminazione (la linea immaginaria che separa la zona di luce da quella in ombra) passa per i poli.

In questa figura è schematizzata la terra in varie posizioni nella sua orbita. Notare che l'asse di rotazione (in rosso nella figura) si mantiene sempre parallelo alla sua posizione iniziale durante il moto di rivoluzione intorno al sole.

L'altezza del sole sull'orizzonte influenza la sua capacità di riscaldare la superficie della terra. Una certa quantità di calore può far aumentare la temperatura di un'area più piccola più di quanto può fare su un'area più grande. Se l'angolo d'incidenza dei raggi solari è grande (cioè se il sole è più alto sull'orizzonte) la stessa quantità di calore proveniente dal sole si distribuisce su un'area più piccola rispetto a quando il sole è più basso, di conseguenza il riscaldamento sarà maggiore (vedi figura per maggiori dettagli).
Di questo fenomeno facciamo esperienza ogni giorno, quando osserviamo che a mezzogiorno (con il sole alto sull'orizzonte) la temperatura è maggiore che all'alba o al tramonto (con il sole basso).
L'altezza del sole sull'orizzonte, comunque, non cambia solo nei diversi momenti della giornata, ma anche nei vari periodi dell'anno. In estate, infatti, la massima altezza del sole sull'orizzonte è maggiore che in inverno.

Nella figura sono schematizzati tre fasci di luce che colpiscono una superficie, visualizzati per chiarezza con tre colori diversi. L'inclinazione dei tre fasci rispetto alla superficie è diversa.
La luce portata dal fascio che colpisce la superficie con un angolo d'incidenza più basso (quella azzurra nella figura) si distribuisce su una superficie più vasta, mentre quella del fascio giallo si concentra su una superficie più piccola. Lo stesso ragionamento vale per il calore trasportato nei fasci, quindi la superficie più piccola subirà un riscaldamento maggiore.

Le differenze di clima tra le varie regioni della terra sono dovute al fatto che alle basse latitudini (nelle zone più vicine all'equatore) l'altezza massima che il sole raggiunge sull'orizzonte è maggiore. Per questo il clima è più caldo che in altre zone della terra. La situazione opposta si ha alle alte latitudini (vicino ai poli) in cui l'altezza del sole a mezzogiorno è bassa in tutti i periodi dell'anno. Oltre i circoli polari il sole non sorge affatto in alcuni periodi, e comunque l'altezza del sole a mezzogiorno (la massima altezza che il sole raggiunge è modesta in tutti i periodi dell'anno).

Le differenze climatiche tra le varie stagioni dell'anno nella stessa zona sono dovute a due diversi fattori:
il primo è quello già ricordato, in estate l'altezza massima del sole sull'orizzonte è maggiore;
il secondo è relativo alla durata del dì, infatti durante il periodo estivo la durata del dì (la parte del giorno in cui il sole è sopra l'orizzonte) è maggiore di quella della notte, mentre la situazione opposta si ha nel periodo invernale;

Quella che segue è un'analisi della situazione della terra in diversi periodi dell'anno, dal punto di vista delle stagioni astronomiche. Verranno presi in considerazione, a titolo d'esempio, otto periodi dell'anno, come indicato nella figura sotto:

• il solstizio d'estate (21 giugno), indicata con il numero 1;
• periodo estivo (intorno al 5 agosto), indicata con il numero 2;
• equinozio d'autunno (23 settembre), indicata con il numero 3;
• periodo autunnale (intorno al 5 novembre), indicata con il numero 4;
• solstizio d'inverno (21 dicembre), indicata con il numero 5;
• periodo invernale (intorno al 5 febbraio), indicata con il numero 6;
• l'equinozio di primavera (21 marzo), indicato con il numero 7 nella figura;
• un periodo in primavera inoltrata (intorno al 5 maggio), indicata con il numero 8;

Le varie posizioni della terra nella sua orbita durante l'anno solare sono schematizzate in questa figura. I numeri fanno riferimento alla trattazione successiva.

Il 21 giugno è il solstizio d'estate. Nell'emisfero boreale (a nord dell'equatore) è estate, mentre è inverno nell'emisfero australe. Sul tropico del cancro il sole è allo zenith a mezzogiorno. A nord del circolo polare artico il sole non tramonta, mentre a sud del circolo polare antartico non sorge affatto.

[1] Uno solo dei poli è illuminato dal sole nei vari periodi dell'anno, per questo la direzione dei raggi solari viene visualizzata solo per questo polo e non per quello in cui è notte.
Solo nei periodi vicinissimi agli equinozi (da una settimana prima a una settimana dopo), in cui il sole è approssimativamente all'orizzonte sia al polo sud che al polo nord, la direzione dei raggi solari viene visualizzata per entrambi i poli.

[2] Il valore dell'inclinazione dell'asse varia nel tempo da un minimo di circa 22° a un massimo di circa 24° 30'. Queste variazioni costituuiscono uno dei cosiddetti "moti millenari" della terra. Il loro "periodo" (cioè l'intervallo di tempo dopo il quale la situazione ritorna uguale a quella iniziale) è di circa 40000 anni. Questo aspetto, comunque, non verrà considerato in questa pagina.
Fonte: http://earthobservatory.nasa.gov/Features/Milankovitch/milankovitch_2.php (sito consultato il 13 febbraio 2013).
Altri motivi per cui l'inclinazione dell'asse di rotazione può variare (di pochi secondi di grado) sono le nutazioni e la polodia.

[3] Anche l'asse terrestre ruota su se stesso, producendo un movimento "doppio conico" detto "precessione degli equinozi", il cui periodo è di circa 26000 anni. Anche questo "moto millenario" non viene considerato in questa pagina.
Fonte: http://it.wikipedia.org/wiki/Precessione_degli_equinozi (sito consultato il 13 febbraio 2013).

[4] In realtà il fenomeno si produce a tutte le latitudini, escluso l'equatore. Nella fascia intertropicale, però, è poco evidente, mentre è molto più evdente nelle fasce temperate.