Otto volanti e trottole cosmiche

Brutta cosa avere a che fare con un astronomo! Vuole sempre avere ragione lui, quando fa tardi ad un appuntamento. Proprio così: l'altro giorno avevo un appuntamento con un mio amico astronomo alle 12 in punto, ma lui mi fece aspettare un bel po' prima di presentarsi. Quando gli feci vedere, allora, l'orologio sapete cosa mi rispose? Che il mio orologio da polso non era certamente buono come quello “naturale” del Sole, e che lui si era basato appunto su quello...

In effetti, non potetti dargli torto, poiché anch'io sapevo che il “mezzogiorno solare” di un certo giorno corrisponde al momento in cui il Sole si trova nel punto più alto del cielo in quel giorno, ma tale istante cambia di giorno in giorno, mentre il mezzogiorno indicato da un orologio si ripete sempre allo stesso istante dopo 24 ore, per ovvi motivi. La differenza non è per nulla trascurabile: nel corso di un anno, il mezzogiorno solare varia da più di 16 minuti prima a più di 14 minuti dopo il mezzogiorno indicato da un orologio. E, naturalmente, questo vale per qualunque ora del giorno, non solo per il mezzogiorno. Se non ci credete, allora date un'occhiata alla immagine qui sotto, dove sono sovrapposte 365 fotografie del Sole scattate ogni giorno, per un anno intero, sempre allo stesso posto (in Colorado, negli Stati Uniti) e alla stessa ora dell'orologio. Nel caso specifico, si trattava delle 14:28, ovvero nel pomeriggio: se si fossero scattate le stesse fotografie nello stesso luogo, ma in un'ora del mattino, la figura risultante non sarebbe inclinata verso est, bensì verso ovest.

A mezzogiorno, invece, proprio nel punto di separazione tra mattino e pomeriggio, quella figura a forma di “otto” sarebbe stata ben diritta, con l'asse verticale che indicava il meridiano del luogo in cui vi trovate. La figura che risulta dalla sovrapposizione delle diverse fotografie si chiama analemma, ed indica appunto la “registrazione” della posizione del Sole nel cielo così come osservata dallo stesso punto della Terra ad intervalli di tempo di un giorno esatto.

Perché mai avviene questo fatto molto curioso? Esso è una conseguenza diretta di due fatti che, probabilmente, già sapete dalle scuole. Il primo fatto è che la Terra orbita intorno al Sole, nel corso di un anno, su una traiettoria a forma di ellisse (di cui il Sole occupa uno dei due fuochi), e non su una traiettoria perfettamente circolare. Il secondo fatto è che, durante tale orbita, la Terra ruota intorno all'asse polo nord – polo sud (durante un giorno), ma tale asse di rotazione non è perfettamente verticale rispetto al piano dell'orbita intorno al Sole, ma è inclinato (di circa 23 gradi e mezzo) rispetto ad esso.

In pratica, mentre orbita intorno al Sole, la Terra ruota come fa una trottola piegata su un fianco: l'asse della trottola non è immobile (e verticale), ma ruota anch'esso. La sovrapposizione di questi due effetti genera l'analemma osservato sopra.

Il primo effetto è responsabile del fatto che, nel corso dell'anno, la Terra non si muove intorno al Sole sempre con la stessa velocità: ad esempio, a gennaio essa si muove più rapidamente rispetto alla media, mentre a luglio si muove più lentamente, come si può vedere dall'animazione qui sotto.

Ciò comporta che l'asse di rotazione, dopo 24 ore, non ritorna esattamente a puntare sempre verso la stessa direzione e, di conseguenza, il Sole appare un po' spostato nel cielo. In particolare, seguendo tale video, dall'inizio di gennaio fino all'inizio di aprile, il Sole “accumula” tali spostamenti verso est, e la massima differenza oraria tra orologio “solare” e orologio “meccanico” è di circa 8 minuti. Poi, dall'inizio di aprile fino all'inizio di luglio il Sole si “sposta” verso ovest, come fa pure fino all'inizio di ottobre, quando raggiunge il massimo spostamento verso ovest. Infine, da questo punto fino all'inizio del gennaio successivo, il Sole si sposta nuovamente verso est, riprendendo la posizione iniziale.

Il secondo effetto, invece, è direttamente responsabile della forma ad “otto” dell'analemma della Terra, causato appunto dal moto di rotazione (precessione) dell'asse terrestre, come si vede chiaramente nel filmato qui sotto. Qui il punto giallo indica dove il Sole apparirebbe in cielo esattamente sulla vostra verticale, mentre quello rosso indica un determinato luogo di osservazione sulla Terra, come per esempio un punto sull'equatore.

La combinazione dei due effetti porta, poi, alla figura osservata nell'immagine in apertura, con un “otto” non simmetrico. Nel filmato che segue si può riscontrare l'importanza relativa delle due cause guardando l'analemma da un differente punto di vista, ossia quello di un osservatore sul Sole che guarda in direzione della Terra.

Ma se questo non vi basta, potete dare uno sguardo agli analemmi di altri pianeti, come Marte, Giove, Saturno, Urano, Nettuno e Plutone, che sono in generale diversi da quello che si osserva sulla Terra, poiché le caratteristiche dei due effetti menzionati sopra sono diversi.

Fenomeno curioso? Forse. Ma è una semplice conseguenza del fatto che la durata dei giorni solari varia nel corso dell'anno. La cosa che potreste trovare ancora più curiosa è che il giorno solare con la massima durata, circa 24 ore e 30 secondi, si ha proprio dopo il solstizio d'inverno, quando nel nostro emisfero si ha la minima esposizione alla luce diurna. Con un gioco di parole, il giorno più corto dell'anno è anche il giorno più lungo (più o meno).

Coincidenze cosmiche della trottola su cui viviamo, la Terra.

Accidenti! Con tutto questo parlare ho fatto io tardi ad un altro appuntamento... Poco male: adesso ho una bella scusa da presentare!

S. Esposito, fisico