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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.
Esperienza proposta: usare la finestra con la "terra interattiva"
- Nella finestra subito al di sotto di quest'area rettangolare è
visualizzata un'immagine interattiva della terra.
Quest'immagine ruota su se stessa, simulando così il moto
di rotazione della terra.
- Trascinando con il mouse l'immagine della terra, l'immagine
stessa si modifica, permettendoti di modificare il tuo punto
di vista. Puoi guardare la terra dalla direzione del
polo nord, o da quella dell'equatore o del polo sud, o da
qualsiasi altra direzione.
- In ogni momento metà della terra è illuminata dal sole,
mentre l'altra metà è in ombra. La linea immaginaria che
separa queste due parti della terra prende il nome di
"circolo d'illuminazione" ed è ben visibile nell'immagine
interattiva.
- Accanto all'immagine interattiva della terra ci sono
alcuni "pulsanti" che possono essere "clickati" per visualizzare
o nascondere elementi dell'immagine. I pulsanti hanno l'aspetto
di piccole immagini in bianco e nero della terra, che si modifcano
al passaggio del mouse.
- Le funzioni dei vari pulsanti sono descritte nelle didascalie
presenti accanto ai pulsanti stessi. Più in dettaglio le funzioni
dei pulsanti sono le seguenti:
- il primo pulsante visualizza o nasconde l'immagine
interattiva della terra (non molto utile probabilmente :-) );
- il secondo pulsante visualizza o nasconde l'asse di rotazione
della terra e di conseguenzala posizione dei due poli, sud
e nord, che sono i punti in cui l'asse "emerge" dalla superficie
della terra; visualizzando l'asse si può notare che questi due
punti sono gli unici che non si muovono durante la rotazione,
ma girano semplicemente su se stessi;
- il terzo pulsante visualizza o nasconde la direzione dei
raggi solari a determinate latitudini al mezzogiorno locale, cioè
al passaggio del meridiano locale in direzione del sole.
le latitudini scelte sono state l'equatore, i tropici, le
medie latitudini (45° nord e 45° sud) e i poli
[1];
notare che la direzione dei raggi solari è perpendicolare al
piano individuato dal circolo d'illuminazione;
- il quarto pulsante visualizza alcuni paralleli, cioè
l'equatore, i tropici e i circoli polari;
- il quinto pulsante visualizza o nasconde il piano
dell'eclittica, cioè il piano individuato dall'orbita della terra,
al quale appartiene anche il centro del sole;
- l'ultimo pulsante visualizza o nasconde la direzione
del sole, individuando un punto della superficie terrestre
nel quale il sole è allo "zenith"; in questo punto la direzione
dei raggi del sole è perpendicolare alla superficie terrestre;
- poiché la situazione astronomica varia durante l'anno
solare (la comprensione di questi cambiamenti è lo scopo
principale di questa pagina),
i pulsanti grigi in basso a destra nella finestra
dell'immagine interattiva permettono di decidere il periodo
dell'anno al quale ci riferiamo;
operando opportunamente sui quattro pulsanti si può scegliere
un qualsiasi giorno dell'anno;
- Visualizza / nascondi la terra:
- Visualizza / nascondi l'asse di rotazione:
- Visualizza / nascondi la direzione
di provenienza dei raggi solari:
- Visualizza / nascondi l'equatore, i tropici
e i circoli polari:
- Visualizza / nascondi il piano dell'eclittica:
- Visualizza / nascondi il sole allo zenith:
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").
Esperienza proposta: il moto di rotazione
- Osserva la finestra del programma (quella con l'immagine della
terra che ruota). Utilizzando gli appositi "bottoni" modifica la
data fino a quando indicherà il 25 dicembre.
- Osserva che la terra gira su se stessa. Osserva anche che
il movimento di rotazione, come viene schematizzato quì, è molto
più veloce che nella realtà (nella realtà un giro completo
durerebbe 24 ore).
- Osserva che la terra si muove da ovest verso est
(cioè in senso antiorario se osservo la terra dal polo nord o in
senso orario se la osservo dal polo sud). Per questo dalla nostra
posizione sulla terra abbiamo la sensazione che il sole si muova
da est verso ovest.
- Utilizzando l'apposito pulsante visualizza l'asse di rotazione.
Modificando il tuo punto di vista (trascinando con il mouse)
osserva che la terra ruota intorno a questo asse.
- Osserva che metà della terra è illuminata dal sole (in
tutte quelle zone ci troviamo nella parte del giorno detta "dì").
Nella metà restante il sole non arriva,
in queste zone è "notte".
- Osserva che in molte zone della terra c'è un'alternanza di luce
e buio. Modificando il tuo punto di vista
(trascinando con il mouse)
vedrai aree che passano dalla luce al buio e viceversa.
- Osservando con attenzione, però, vedrai
anche zone dove questo non
accade. Vedrai zone, cioè, che rimangono al
buio e zone che rimangono sempre in luce.
In queste zone il sole non tramonta (o non sorge affatto).
Per vederlo meglio visualizza di nuovo l'asse di rotazione.
Le zone "sempre al buio" o quelle "sempre in luce"
sono quelle vicine ai punti dove l'asse "esce" dalla terra
(cioè ai poli).
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.
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].
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.
Esperienza proposta: il moto di rivoluzione
- Nella finestra del programma modifica la data fino a quando
indicherà il 21 marzo e visualizza l'asse di rotazione.
Osserva che il circolo d'illuminazione, cioè il cerchio immaginario
che separa la luce dall'ombra, passa per i poli.
- Cambia la data fino al 30 gennaio e osserva che il circolo
d'illuminazione si è allontanato dai poli. Uno dei poli (il polo
nord) non è raggiunto dalla luce del sole, mentre l'altro (il
polo sud) è in luce. Altre zone della terra passano dalla luce
all'ombra e viceversa.
- Naturalmente questo è dovuto alla diversa posizione della
terra nella sua orbita. Modificando la data esamina
diversi periodi dell'anno e osserva che in nessun periodo
il circolo d'illuminazione si allonta molto
dai poli.
- Modificando ancora la data osserva la diversa posizione
del circolo d'illuminazione nei diversi periodi dell'anno.
In particolare osserva che il circolo d'illuminazione passa
per i poli nei periodi intorno al 21 marzo e 23 settembre
(equinozio di primavera e d'autunno), mentre raggiunge la
massima distanza da essi nei periodi intorno al 21 dicembre
e al 21 giugno (solstizio d'inverno e d'estate).
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.
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;
Esperienza proposta: differente altezza del sole sull'orizzonte nei
diversi periodi dell'anno
- Modifica la data utilizzando gli appositi pulsanti fino
a quando l'indicatore sarà sul 21 giugno e mostra la direzione di
provenienza dei raggi solari utilizzando il pulsante. Ruota il tuo
punto di vista, utilizzando il mouse, fino a quando la tua
posizione sarà simile alla figura sotto. La "punta" della
"freccia" dovrebbe essere nel punto più alto della terra
nella figura.
(N.B.: nella figura
è stata evidenziata solo la "freccia" relativa alle medie latitudini
settentrionali, ma in realtà l'immagine mostrerà anche quelle
relative alle altre latitudini);
- osserva la situazione dal polo sud: a sud del circolo
polare antarico il sole non sorge;
- nella zona compresa tra il tropico del capricorno e il
circolo polare antartico (fascia temperata boreale) la notte è più
lunga del dì;
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;
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.
Esperienza proposta: il solstizio d'estate, 21 giugno
(posizione 1 nella figura)
-
sulla finestra del programma, modifica la data fino a quando
indicherà il 21 giugno.
- visualizza i paralleli fondamentali (equatore, tropici e circoli
polari), premendo l'apposito tasto;
- visualizza anche la direzione di provenienza dei raggi
solari;
nel punto in cui la direzione dei raggi
solari incontra la superficie terrestre, il sole è allo
"zenith", cioè è esattamente sulla verticale.
- osserva che il sole è allo zenith su un punto del tropico
del cancro, mentre non tramonta a nord del circolo polare
artico;
- osservando la situazione dal polo nord, prendi in considerazione
la zona compresa tra il tropico del cancro e il circolo
polare artico (fascia temperata boreale);
il tempo che un punto della superficie compreso in questa
zona passa in luce è maggiore di quello che passa nella
zona d'ombra (prendi ad esempio l'Italia come riferimento);
per questo il dì è più lungo della notte in questa zona e in
questo periodo dell'anno
[4];
- osserva la situazione dal polo sud: a sud del circolo
polare antarico il sole non sorge;
- nella zona compresa tra il tropico del capricorno e il
circolo polare antartico (fascia temperata boreale) la notte è più
lunga del dì;
Note:
[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.