Scienze della terra

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Scienze della terra

Le Scienze della Terra.

Lo studio del nostro pianeta implica:

la continua ricerca di luoghi in cui abitare;
la necessità di ricavare dall’ambiente circostante risorse necessarie o utili per vivere;
il desiderio di sapere e di esplorare, la curiosità innata nell’uomo;

Scoprire la natura, la struttura profonda, i “meccanismi” che fanno muovere il pianeta

Ricostruire la storia di un passato che si perde in ere lontanissime

Interessamento prima occasionale, poi sistematico e scientifico:

intuizioni geniali di alcuni studiosi come Pitagora, Plinio, Leonardo da Vinci

Grazie all’invenzione di strumenti e mezzi di osservazione e studio, nel ‘700 - ‘800

nasce la GEOLOGIA = “discorso sulla Terra” =

la scienza che studia l’evoluzione della Terra e

i processi naturali che avvengono al suo interno e sulla sua superficie.

Dal ramo della Geologia, ormai fiorita nel ‘900, si sviluppano altre discipline “di frontiera”, nate al confine con altre scienze, come la GEOFISICA, la GEOCHIMICA o la PALEONTOLOGIA, che insieme alla geologia stessa costituiscono la Geonomìa, che mostra competenze puramente conoscitive, ma anche di interesse applicativo.

Le Scienza della Terra vengono definite in questo modo per almeno tre motivi:

come ogni scienza affianca l’aspetto descrittivo all’aspetto sperimentale per l’analisi dei processi chimici, fisici e biologici. La conoscenza scientifica inizia dall’osservazione di fenomeni reali e dei loro intrecci, quando l’uomo si pone delle domande circa la natura circostante; seguono poi ipotesi, leggi e infine teorie scientifiche universalmente valide (metodo scientifico).
tiene in considerazione l’aspetto geologico del rapporto uomo-Terra, cercando di analizzare la concezione umana e la realtà fisica (fonti di energia e materie prime) per una gestione razionale delle risorse.
analisi dei problemi ambientali più o meno imprevisti e calamitosi, dei rischi irreversibili geologici e delle conseguenze dell’attività umana sull’ambiente naturale.

Esse appartengono, comunque, all’insieme delle Scienze naturali, definite così perché hanno come oggetto di studio il mondo materiale, organico e inorganico, diversamente dalle Scienze umane che hanno come oggetto specifico l’attività dell’uomo.

La Terra come sistema integrato.

La moderna Geologia ha come scopo la ricostruzione dell’intera evoluzione della Terra. La Terra, costituita da una grande varietà di materiali, non è un semplice aggregato ma è un sistema integrato = un insieme di componenti, ciascuno con una propria individualità, che interagiscono, però, strettamente tra loro attraverso una complessa serie di processi fisici, chimici e biologici.

Nel caso del sistema Terra tali componenti si possono considerare come involucri a stretto contatto tra loro:

1. la TERRA SOLIDA (litosfera): massa costituente la maggior parte del pianeta, formata essenzialmente da minerali e rocce. Si estende dalla superficie delle terre emerse sino al fondo degli oceani, ancora in profondità per decine di km.

2. l’IDROSFERA: coltre di acque che ricopre il 71% della superficie del pianeta con oceani, mari, acque dolci dei fiumi, dei laghi e del sottosuolo.

All’idrosfera appartiene anche la CRIOSFERA, cioè l’insieme delle acque allo stato solido delle grandi calotte glaciali.

3. l’ATMOSFERA: involucro gassoso che avvolge e protegge la terra e che si manifesta in modo vistoso nei grandi ammassi e vortici di nubi.

4. la BIOSFERA: insieme degli organismi viventi presenti in terraferma, mare e atmosfera.

Questi involucri sono andati via via formandosi nel corso della lunga storia della Terra e sono legati indissolubilmente da una serie di complesse interazioni in equilibrio dinamico, un equilibrio che viene rinnovato continuamente.

I metodi e gli strumenti di studio.

Le numerose discipline in cui si articolano le Scienze della Terra richiedono strumenti sempre più precisi e in grado di approfondire l’oggetto di analisi. Ecco alcuni esempi:

rilevamento geologico: raccolta di dati, misure, osservazioni “sul terreno”.
Analisi in laboratorio (microscopio ottico ed elettronico).
Aerofotografie e immagini via satellite (telerilevamento) per rilevare le caratteristiche più o meno superficiali della litosfera, dell’idrosfera e dell’atmosfera.
Ultrasuoni per penetrare nelle profondità dell’idrosfera.
Navi oceanografiche per prelevare addirittura campioni di rocce dai fondali oceanici e per studiarne l’evoluzione.
Indagini geofisiche (in particolar modo sismiche) per studiare l’interno del nostro pianeta la cui struttura e dinamica influenza i fenomeni geologici superficiali.

Aspetti geologici dei rapporti tra l’uomo e la terra.

Le comunità umane trovano nel pianeta le risorse per la loro sopravvivenza e per le attività in continua crescita. Talvolta, però, si crea una situazione di competizione tra l’uomo e l’ambiente fisico in cui esso vive: in queste circostanze si parla di problemi ambientali.

Questi ultimi sono generalmente riferiti a

Fonti di energia non rinnovabili
Fonti di energia rinnovabili
Materie prime

Le fonti di energia non rinnovabili.

Le fonti di energia più sfruttate dall’uomo sono rappresentate da alcuni materiali che si sono accumulati attraverso processi geologici della durata di alcune decine di milioni di anni. Tali processi sono tuttora in atto, ma seguendo una rapidità nettamente inferiore alla rapidità con cui i materiali stessi vengono consumati dall’uomo. Dal momento che tali sostanze sono in via di esaurimento, si dicono non rinnovabili. Le principali fonti non rinnovabili sono:

I combustibili fossili (carbone, petrolio, gas naturale) che per mezzo della combustione producono energia;
I combustibili nucleari (uranio e torio) che, attraverso il processo fisico del decadimento radioattivo (fissione), si trasformano lentamente in altri elementi e liberano, così, energia.

Le fonti di energia rinnovabili.

Il problema sempre più sentito delle fonti di energia in via di esaurimento ha indotto alla ricerca di fonti di energia rinnovabili, cioè non esauribili.

· L’energia geotermica: associata al flusso di calore che continuamente risale dall’interno della Terra. Tale energia non è propriamente rinnovabile, ma è certo che il calore interno del pianeta continuerà ad esistere molto a lungo.

· L’energia solare: tiene in continua vita e attività l’atmosfera, l’idrosfera e la biosfera. L’applicazione è tuttora abbastanza costosa a livello privato e industriale ma in fase di espansione.

· L’energia idraulica: si ottiene facendo compiere un salto forzato all’acqua raccolta sul fondo di valli chiuse da sbarramenti artificiali (dighe) .

· L’energia delle maree.

· L’energia eolica: utilizza direttamente la forza dei venti.

· L’energia delle biomasse: materia organica (vegetale e animale) presente nella biosfera, utilizzata come combustibile da ardere.

Materie prime dalla litosfera.

Oltre alle fonti di energia l’uomo trova in natura anche fonti di materie prime, cioè di quei materiali che, usati direttamente, così come si presentano, oppure dopo opportune trasformazioni, sono alla base di molteplici attività. Come le risorse di energia, anche quelle di materie prime sono un prodotto dell’incessante attività del pianeta (RISORSA: quantità di un certo materiale disponibile sulla Terra. RISERVA: quantità di risorsa che può essere sfruttata con mezzi disponibili).

Ad esempio, i giacimenti minerari sono concentrazioni locali, in superficie o all’interno della crosta terrestre, di materiali economicamente sfruttabili:

Accumuli di idrocarburi e di carboni fossili, benché siano considerati risorse energetiche.
Rocce sedimentarie di materiali diversi, accumulati per il movimento di sostanze dovuto a venti, maree, corsi d’acqua…(à le risorse sono legate alla propria litogenesi).
Rocce magmatiche, formate per il raffreddamento del magma che risale dall’interno alla superficie della Terra durante un’eruzione vulcanica (es.granito).
Giacimenti di grande interesse industriale (ferro, piombo, zinco, rame e oro).
Giacimenti di pietre preziose (diamanti, smeraldi, topazi, rubini).

Le nuove frontiere sono attualmente i fondi oceanici, sui quali sono stati rilevati noduli polimetallici, ricchi di manganese, ferro, cobalto, nichel…. Anche se lo sfruttamento di tali risorse è tuttora assai difficile, le risorse sono immense.

Lo studio dei problemi ambientali.

Nel campo di indagine delle Scienze geologiche rientrano i problemi ambientali. Tra questi ricordiamo

i rischi geologici, come quello sismico o quello vulcanico
i rischi legati ai fenomeni franosi e all’erosione costiera, due gruppi di processi naturali che però sono spesso innescati da interventi antropici sul territorio effettuati ignorando ogni conoscenza geologica e che inducono alla perdita totale del suolo.
la desertificazione.
l’inquinamento dell’atmosfera e dell’idrosfera, che sta assumendo dimensioni planetarie. L’immissione non regolata e razionale, nell’aria e nelle acque, di sostanze in quantità e concentrazioni tali da modificare notevolmente la biosfera, produce conseguenze assai dannose e irreversibili.

Conoscere la Terra per viverci meglio.

Il rapporto uomo-natura sta assumendo spesso aspetti di conflitto: ciò accade quando le attività dell’uomo ignorano i processi naturali che regolano gli equilibri nel sistema Terra. Nel caso dello sfruttamento delle risorse, per esempio, la mancanza di una pianificazione globale ci sta ponendo di fronte a due aspetti drammatici: il graduale esaurimento delle risorse (per quelle non rinnovabili o rinnovabili in tempi molto lunghi) e l’impatto ambientale legato al recupero e alla lavorazione delle materie prime.

Un corretto rapporto uomo-pianeta si deve basare sulla conoscenza e sul rispetto dei processi che guidano l’evoluzione naturale del pianeta, di cui siamo parte integrante, soggetti ma anche oggetti.

IL PIANETA TERRA

GEODESIA: scienza che studia la forma della Terra, le sue dimensioni e i metodi per determinare la posizione dei punti sulla sua superficie
GEOGRAFIA
GEOGRAFIA ASTRONOMICA
SCIENZE DELLA TERRA

dipendono dalla forma, influenzano i fenomeni

dalle dimensioni e dai fisici e biologici operanti

movimenti del nostro pianeta sulla superficie terrestre

nello spazio

La forma della Terra.

La forma della Terra non può essere determinata matematicamente, ne è perfettamente identificabile con quella di un solido geometrico: è una forma del tutto propria e particolare.

I popoli delle civiltà più antiche, nell’impossibilità di abbracciare con lo sguardo diretto l’intera forma della Terra, ebbero l’idea che essa fosse piana e poco estesa, simile a un grande disco circondato dall’oceano e limitato superiormente dalla cupola del firmamento.

L’area che riusciamo ad abbracciare con lo sguardo è sempre limitata da una linea grossolanamente circolare, cha chiamiamo orizzonte sensibile, lungo la quale sembra che la volta celeste si congiunga con il suolo o con il mare.

Nel V sec. a.C. Pitagora, su presupposti teorici, giunse al riconoscimento della sfericità della Terra.

Il Medioevo rivide l’idea della Terra piatta farsi strada, ma nell’Umanesimo, con la riscoperta degli studi di Aristotele e Tolomeo, si confermò la forma sferica.

Lo sviluppo delle conoscenze seguì il presente iter:

Curvatura della superficie terrestre
Sfericità d’insieme del pianeta
Forma ellissoidale della Terra
Definizione di un solido speciale, detto geoide.

Ecco le prove di valore storico che documentano la sfericità della Terra:

l’orizzonte va aumentando di diametro con il crescere dell’altitudine del punto di osservazione. L’orizzonte sensibile limita la porzione di superficie terrestre che riusciamo ad abbracciare con lo sguardo, in ogni direzione intorno a noi. Poiché la Terra ha una forma curva e convessa, questo limite è dato dalla linea lungo la quale le visuali dell’osservatore sono tangenti alla superficie terrestre; quindi, l’orizzonte sensibile si presenta come un circolo che aumenta di estensione con l’aumentare dell’altezza del punto di osservazione.

i raggi di una stessa stella incidono in angoli diversi sui vari luoghi della Terra. L’altezza della Stella Polare, ossia l’angolo che i suoi raggi formano con il piano dell’orizzonte, varia col variare della posizione dell’osservatore sulla superficie terrestre. L’altezza aumenta se ci si sposta verso Nord e diminuisce, fino a che la stella scompare del tutto, se si procede verso sud. Se la Terra non fosse pressoché sferica, l’altezza della Stella Polare sarebbe sempre la stessa in ogni punto della superficie terrestre.

la gravità agisce approssimativamente secondo i raggi di una sfera. Diversi valori della forza di gravità stanno a testimoniare che vari punti della superficie terrestre si trovano a diversa distanza dal centro (à osservazioni gravimetriche).
l’analogia con gli altri pianeti.
durante le eclissi di Luna, la Terra si interpone tra il Sole e la Luna e proietta su quest’ultima un’ombra dal contorno pressoché circolare.

Naturalmente, quando si parla della sfericità della Terra, non si tiene conto delle irregolarità della superficie, che alterano la forma geometrica in modo impercettibile rispetto alla superficie, al volume e alla massa totali: il monte Everest (8 872 m) corrisponde a 1/700 del raggio terrestre.

Se la Terra fosse omogenea e immobile, la sua forma sarebbe una sfera perfetta: in realtà, essa non è omogenea ed è caratterizzata da un moto di rotazione attorno al proprio asse. La forza centrifuga che si genera determina una progressiva deformazione del pianeta, deprimendolo ai poli e rigonfiandola lungo il piano equatoriale, ossia in corrispondenza del piano perpendicolare all’asse e passante per il suo centro.

La forma che ne risulta è poco dissimile da quella di un ellissoide di rotazione (o sferoide), un solido che si ottiene facendo ruotare idealmente un’ellisse attorno al suo asse minore.

L’asse minore dell’ellissoide terrestre è identificabile con la distanza fra i due poli (asse polare), mentre asse maggiore dovrebbe corrispondere al diametro dell’Equatore terrestre, ossia al diametro della circonferenza determinata dall’intersezione di un piano perpendicolare all’asse, e passante per il centro, con la superficie della Terra. Recenti studi hanno dimostrato che l’equatore non è perfettamente circolare, pertanto si potrebbe parlare di ellissoide a tre assi, nel quale i due assi equatoriali differiscono per poche centinaia di metri.

In base agli studi geodetici si è deciso di identificare la forma del nostro pianeta con quella di un solido la cui superficie è perpendicolare in ogni suo punto alla direzione del filo a piombo; al corpo delimitato da tale superficie è stato dato il nome di geoide.

La superficie del geoide è equipotenziale, poiché in ogni punto è uguale il lavoro compiuto per allontanare a distanza infinita un determinato oggetto.

Teoricamente il geoide può essere immaginato come la figura che la Terra assumerebbe se si considerasse come parametro il livello medio del mare, colmando le eventuali depressioni e cancellando tutti i rilievi.

Rispetto all’ellissoide, il geoide si presenta un po’ rigonfio in corrispondenza dei continenti e leggermente depresso in corrispondenza degli oceani (la differenza è di circa 120 m). Per utilizzare il termine “ellissoide” bisognerebbe parlare di un poliedro terrestre, cioè di un ellissoide sormontato da rilievi che hanno posizioni ed altitudini conosciute.

Le alterazioni della superficie conferiscono alla Terra un aspetto piriforme.

Le dimensioni della Terra.

Non appena fu risolto il problema della forma della Terra, lo studio si concentrò sulle dimensioni del pianeta: Eudosso di Cnido e Dicearco da Messina realizzarono formule e calcoli appositamente per determinare le dimensioni della Terra, Eratostene di Cirene, invece, determinò la lunghezza della circonferenza meridiana terrestre, tenendo conto dell’ampiezza degli angoli che i raggi del sole formano con la superficie terrestre.

Nel 1671 l’astronomo Picard misurò l’arco di meridiano (circolo massimo passante per i poli) congiungente Amiens con Mahoisine (Parigi).

Oggi non ci si limita a formule geometriche o trigonometriche, ma si utilizzano anche strumenti ottici ad alta precisione e le osservazioni geodetiche.

Dalla misura della Terra alla misura degli oggetti.

Lo schiacciamento polare della Terra era già stato messo in evidenza verso la fine del XVII secolo, mediante osservazioni sul moto oscillatorio del pendolo compiute dall’astronomo francese Richer: dopo aver regolato un pendolo a Parigi, lo trasferì nella Guaiana francese e si accorse che presentava oscillazioni più lente.

Poiché il periodo T di oscillazione di un pendolo è inversamente proporzionale al valore dell’accelerazione gravitazionale (T = 2п √l/g), il fenomeno fu attribuito alla diminuzione della forza gravitazionale nella zona equatoriale.

Le più recenti misure astrogeodetiche hanno permesso di determinare i dati riportati nella tabella, cioè le dimensioni approvate dall’Unione Geodetica Internazionale, che ha deciso di assumere come forma della terra il cosiddetto ellissoide internazionale (ottenuto mediando i rigonfiamenti e le depressioni della superficie terrestre e utilizzando come riferimento il geoide).

Le dimensioni della Terra costituiscono la base del Sistema Metrico Decimale, fissato nel 1793 dall’Accademia delle Scienze di Parigi: è stato così stabilita l’unita del metro, definito come la 40milionesima parte del meridiano terrestre. Il campione, in iridio e platino, è indeformabile, non attaccabile dagli agenti atmosferici, conservato alla T di 20 °C , nell’Archivio Nazionale di Pesi e Misure di Parigi.

Bisogna tener presente, però, del fatto che

i meridiani non sono perfettamente uguali tra loro.
a causa dei cambiamenti morfologici della Terra, la lunghezza di un meridiano non si mantiene costante nel tempo.

Quindi, è stato stabilito dagli scienziati metrologi, come nuovo metro più rigoroso, la distanza percorsa nel vuoto dalla luce di un laser a elio-neon nell’intervallo di tempo di 1/299 792 458 di secondo.

secondo l’ellissoide internazionale
Raggio max equatoriale (a)	m	6 378 388
Raggio min polare (b)	m	6 356 912
Schiacciamento polare (a-b)/a		1/297
Superficie tot. della Terra	Km²	510 000 000
Superficie delle terre emerse	Km²	149 400 000
Superficie degli oceani	Km²	360 700 000
Massa della Terra	g	5,976 . 10²⁷
Massa volumica della Terra (densità)	g/cm³	5,52
Accelerazione di gravità sulla superficie terrestre	m/sec²	9,81 (valore normale)

Le coordinate geografiche e le coordinate celesti.

Per poter localizzare un punto sulla superficie terrestre, si è assunto un sistema di riferimento preciso: su una sfera, detta sfera terrestre, figura dalla quale la Terra discosta di poco, si è tracciato un reticolato geografico, costituito da una rete di linee immaginarie.

Ecco le linee che sono state identificate:

asse terrestre: luogo geometrico dei punti per cui è nulla la forza centrifuga.
equatore: circonferenza massima equidistante dai poli, ottenuta sezionando la Terra con un piano perpendicolare all’asse terrestre, passante per il centro del pianeta. L’equatore divide la Terra in due emisferi: quello settentrionale o boreale, dalla parte del Polo Nord e quello meridionale o australe, dalla parte del Polo Sud
meridiano: semicirconferenza definita sezionando la superficie terrestre con un piano perpendicolare all’equatore e contenente l’asse terrestre. Ciascun meridiano presenta il suo corrispondente antimeridiano.
parallelo: circolo individuato sezionando la superficie terrestre con piani paralleli all’Equatore.

Naturalmente, essendo delle linee immaginarie, i paralleli e i meridiani sono in numero infinito; tuttavia si prendono in considerazione i meridiani di grado e i paralleli di grado, cioè quelli tracciati a distanza di un grado l’uno dall’altro: pertanto, i meridiani di grado sono 360 e i paralleli di grado sono 180, 90 dei quali a Nord e 90 a Sud dell’Equatore, comprendendo i due Poli, che non sono circoli veri e propri, bensì punti.

Il reticolato geografico permette di individuare la posizione assoluta di un punto sulla superficie terrestre, non quella relativa alla posizione dell’osservatore.

Così sono state definite le coordinate geografiche:

latitudine: (corrispondente all’ordinata) = distanza angolare di un punto dall’Equatore. Essa può essere Nord o Sud.

Corrisponde all’ampiezza dell’angolo al centro della Terra, che sottende l’arco di meridiano congiungente il punto considerato con l’Equatore.

È 0° all’Equatore; è 90° al valore massimo ai poli.

longitudine: (corrispondente all’ascissa) = distanza angolare di un punto da un meridiano, misurata sull’arco di parallelo che passa per quel punto. Essa può essere Est o Ovest. Come meridiano di riferimento si considera quello passante per Greenwich (Londra) oppure quello di Monte Mario (Italia), distante dal precedente di 12° 27’ Est.

Corrisponde all’ampiezza dell’angolo al centro della Terra, che sottende l’arco di parallelo congiungente il punto considerato con il meridiano di riferimento.

È 0° al meridiano di riferimento; è 180° al valore massimo sull’antimeridiano corrispondente.

A causa dello schiacciamento polare, la lunghezza dell’arco di un grado di latitudine (o di meridiano) va crescendo dall’Equatore ai poli e si è calcolato che in media è 111,121 km. La sua sessantesima parte, cioè 1852 m, rappresenta la lunghezza dell’arco di meridiano di 1’ e corrisponde al miglio marino e geografico (miglio terrestre=1609m).

La lunghezza di un grado di longitudine è estremamente variabile perché i paralleli non sono uguali fra loro: tale lunghezza di un parallelo varia da 111,324 km all’Equatore e si riduce a 0 ai poli.

Le coordinate celesti servono per stabilire la posizione assoluta degli astri sulla Sfera celeste, come la latitudine e la longitudine per i punti della superficie terrestre.

Basta immaginare la Terra come puntiforme e pensare che sulla Sfera celeste siano tracciati meridiani e paralleli, in modo tale da definire le coordinate celesti corrispondenti alla latitudine e alla longitudine:

declinazione celeste: distanza angolare fra l’astro considerato e il piano dell’Equatore.
ascensione retta: distanza angolare dell’astro dal meridiano celeste che passa per il cosiddetto “punto g ”* (o punto di Ariete), scelto come meridiano iniziale o fondamentale sulla Sfera celeste.

Sarebbe necessario stabilire la distanza lineare dal nostro pianeta, per avere una terza coordinata che relazioni l’astro considerato alla Terra.

Punto g : punto sulla Sfera celeste in cui si trova il Sole nell’equinozio di primavera (21 marzo). Il punto diametralmente opposto, dove si trova il Sole nell’equinozio d’autunno (21 settembre) è detto punto w (punto omega).

I movimenti della Terra.

La Terra si muove nello Spazio con moti simultanei, ma differenti per velocità e durata.

I diversi tipi di moto terrestre.	Durata	Effetti geografici	Effetti geologici
	Relativamente breve	Sì, molto importanti.	No.
	Tempi lunghi	Sì (non rilevabili nel corso di una vita umana).
	Insieme al Sole e alla Galassia	Non si conoscono effetti di un certo rilievo.

IL MOTO DI ROTAZIONE.

Moto che la Terra compie intorno al proprio asse, da Occidente verso Oriente, cioè in senso inverso rispetto all’apparente moto diurno della Sfera celeste e del Sole. Anche se non si tratta di un moto perfettamente uniforme (orologi atomici assai precisi testimoniano che non lo sia), il moto di rotazione si considera uniforme e della durata di 23^h 56^m 4^s, cioè un giorno sidereo.

Comunemente per giorno si intende il periodo che la Terra impiega per compiere una rotazione attorno al proprio asse; a seconda che tale rotazione venga analizzata facendo riferimento alle stelle o al Sole, si deve fare la distinzione tra

- giorno sidereo, considerato il vero periodo della rotazione terrestre: tempo occorrente per avere due passaggi consecutivi di una stella sullo stesso meridiano = 23^h 56^m 4^s;

- giorno solare, tempo che intercorre tra due culminazioni successive del Sole su uno stesso meridiano = 24^h. Il giorno solare non presenta la stessa durata in tutti i periodi dell’anno: in

prossimità del perielio (durante il ns.inverno) la velocità è massima e il giorno solare supera 24^h; in prossimità dell’afelio (durante la ns.estate) la velocità orbitale si riduce e il giorno solare ha una durata inferiore a 24^h.

Il motivo della differenza di circa 4 minuti risiede nel fatto che mentre la Terra compie una rotazione, si muove anche di un certo tratto lungo la sua orbita; perciò nel rivedere il Sole nella stessa direzione, dopo che la Terra ha fatto un giro completo attorno al proprio asse, occorre che essa compia un supplemento di rotazione corrispondente all’arco percorso sull’orbita (360°/365 g = 1°/g).

Comunemente parliamo del giorno solare, perché, in fondo, è il Sole che regola le nostre attività quotidiane: ci riferiamo, comunque, al giorno solare medio, che risulta dalla media delle durate di tutti i giorni dell’anno e corrisponde a 24 ore esatte.

Su questo arco di tempo è regolato, inoltre, il secondo, cioè la 86400° parte del giorno solare medio (il S.I. ha anche adottato un secondo campione per il secondo, cioè la durata di 9 192 631 770 oscillazioni della radiazione emessa dall’atomo di cesio 133, in certe condizioni).

Nei moti terrestri si identificano

a. la velocità lineare di rotazione: la distanza percorsa da un punto nell’unità di tempo. Essa è massima all’Equatore (1668 km/h) e nulla ai poli: pertanto, essa varia al variare della latitudine. Al diminuire della velocità lineare diminuisce anche la forza centrifuga, mentre parallelamente va aumentando la forza di gravità.

b. la velocità angolare:è il rapporto tra l’angolo descritto in un intervallo di tempo, ossia la rapidità con cui il raggio vettore descrive l’angolo. Poiché ogni punto della Terra descrive un angolo di 360° in un giorno, qualunque sia la latitudine e la lunghezza del parallelo descritto, la velocità angolare non varia (360°/24h = 15°/h = 1°/4 min).

Secondo le osservazioni astronomiche moderne, la durata del moto di rotazione si allungherebbe di 2 millesimi di secondo per secolo. Questo rallentamento si spiegherebbe con l’attrito delle maree, ossia delle protuberanze che la Luna provoca sulle masse oceaniche terrestri, con conseguente allontanamento della Luna dalla Terra (circa 4 cm/anno).

v IL MOTO DI RIVOLUZIONE.

Moto che la Terra compie, come gli altri pianeti del Sistema Solare (Mercurio, Venere, Terra, Marte, Giove, Saturno, Urano, Nettuno, Plutone) descrivendo un’orbita ellittica intorno al Sole, in senso antiorario, immaginando di osservare il movimento dal Polo nord celeste.

Il moto di rotazione è regolato dalle leggi di Keplero:

1. i pianeti descrivono orbite ellittiche, quasi complanari, aventi tutte un fuoco in comune, in cui si trova il Sole.

La distanza tra la Terra e il Sole varia: essa viene a trovarsi in perielio ai primi di gennaio con una distanza di 147 milioni di km e in afelio ai primi di luglio, con una distanza di 152 milioni di km (dist.media=149 600 000 km).

L’orbita descritta dalla Terra è un’ellisse poco schiacciata, tanto che il rapporto tra i due semiassi è di 0,017 (per una circonferenza vale 0). L’intero percorso orbitale vale 940 milioni di km.

2. il raggio vettore che unisce il centro del Sole al centro di un pianeta descrive superfici con aree uguali in intervalli di tempo uguali.

La velocità con cui la Terra compie l’intero percorso orbitale varia: 29,3 km/h all’afelio e 30,3 km/h al perielio. Il tempo che la Terra impiega per compiere un’orbita completa, cioè l’effettiva durata della rivoluzione terrestre, è di 365^d 6^h 9^m 10^S, e viene definito anno sidereo, in opposizione all’anno solare/tropico, più breve di circa 20 minuti a causa della precessione equinoziale.

3. i quadrati dei tempi che i pianeti impiegano a percorrere le loro orbite (periodi di rivoluzione) sono proporzionali ai cubi delle loro distanze medie dal Sole, misurate in U.A., (= dist.media Terra-Sole= 149 600 000km).

Il sistema Terra-Sole in realtà si muove attorno ad un baricentro comune, punto determinato dall’intersezione della congiungente i due corpi, che risulta così divisa in parti inversamente proporzionali alle masse della Terra e del Sole. Poiché la massa del Sole è notevolmente maggiore rispetto a quella della Terra, il baricentro sarà tanto prossimo al Sole, da potersi ritenere coincidente con esso.

v I MOTI MILLENARI

Moti considerati perturbazioni del moto di rotazione e rivoluzione, che avvengono in periodi assai lunghi, nell’ordine dei millenni. Essi sono dovuti alla differente azione gravitazionale che i diversi corpi del Sistema Solare esercitano sulla Terra, in spazi e tempi diversi.

v IL MOTO DI TRASLAZIONE

Il Sole e, conseguentemente, l’intero Sistema solare si dirige verso un punto della Sfera celeste, detto apice, che si trova in prossimità della Costellazione di Ercole, alla velocità di 19,4 km/h.

v IL MOTO DI RECESSIONE DELLA GALASSIA

Moto dovuto alla probabile espansione dell’Universo.

Prove della rotazione terrestre.

1. apparente spostamento diurno dei corpi celesti da Est verso Ovest.

A prima vista questo spostamento potrebbe essere visto come:

a. movimento di rotazione degli astri attorno alla Terra

b. rotazione in senso contrario (WàE) della Terra su se stessa

Dato che i corpi celesti non sono fissati su una sfera, ma si trovano a distanze diverse da noi, bisognerebbe ammettere che siano dotati di una velocità lineare esattamente proporzionale alle distanze dall’asse terrestre, in modo da muoversi tutti insieme solidalmente. Perciò è molto più semplice ammettere che sia la Terra a ruotare attorno al proprio asse.

2. analogia con altri pianeti, che mostrano un evidente moto rotatorio.

3. caduta libera dei corpi = esperienza di Guglielmini.

Un grave che viene lasciato cadere da un punto elevato sulla superficie terrestre devia dalla verticale del punto di partenza e giunge sul suolo spostato verso Est: questo accade perché il corpo partecipa al moto rotatorio terrestre e durante la caduta mantiene per inerzia la velocità lineare di rotazione che aveva nel punto di partenza, maggiore di quella con cui ruota il punto di arrivo, che è più vicino all’asse di rotazione della Terra.

Guglielmini lasciò cadere un grave dalla Torre degli Asinelli di Bologna e rilevò uno spostamento di 17 mm per un’altezza di caduta di ca. 100 m: ovviamente la deviazione risulta direttamente proporzionale all’altezza da cui si lascia cadere il corpo.

4. esperienza di Foucault.

Foucault sospese alla cupola del Pantheon un pendolo costituito da un filo lungo 68 m a cui era sospesa una sfera pesante 30 kg, affinché le oscillazioni del pendolo potessero continuare per alcune ore. Alla sfera applicò un’asticina che sfiorava una grande disco posto sul pavimento, cosparso di sabbia. Dai segni che l’asticina lasciava si poté osservare che il piano delle oscillazioni pendolari girava a poco a poco in senso orario. Se il pendolo fosse collocato al polo, isolandolo dal sistema inerziale della Terra, esso compirebbe un giro di 360° in un giorno, mentre all’equatore non si muoverebbe affatto, poiché la Terra non compie alcuna rotazione attorno all’asse equatoriale. A Parigi, ad una latitudine intermedia, il pendolo impiega 32 ore ca. per compiere un giro completo.

5. variazione della accelerazione di gravità con la latitudine.

Oltre ad essere un effetto dello schiacciamento polare della Terra, è una conseguenza della forza centrifuga dovuta alla rotazione.

La forza centrifuga, alla quale sono sottoposti tutti i corpi che si trovano sulla superficie terrestre, è perpendicolare all’asse di rotazione della Terra ed è diretta verso l’esterno.

F_c = m x w² x R

(m = massa del corpo, w = vel. angolare, R = distanza dall’asse di rotazione)

La forza peso è, invece, il prodotto della massa del corpo per l’accelerazione di gravità:

P = m x g

6. schiacciamento polare

Non avrebbe potuto prodursi in una Terra immobile.

Conseguenze della rotazione terrestre.

1. spostamento della direzione dei corpi in moto sulla sup. terrestre = legge di Ferriel.

“A causa della rotazione terrestre, un corpo qualsiasi che si muova liberamente sulla Terra viene deviato dalla sua direzione iniziale verso destra se si trova nell’emisfero boreale, verso sinistra se si trova nell’emisfero australe” dal punto di vista dell’osservatore che guardi nella stessa direzione e nello stesso senso del movimento del corpo.

Un corpo in moto tende per inerzia a conservare la velocità lineare di rotazione che aveva nel punto di partenza: spostandosi verso i poli, andrà verso punti di rotazione che hanno velocità di rotazione inferiore e sarà in anticipo su di essi. Sembrerà che il corpo abbia subito una deviazione progressiva per effetto della forza deviante di Coriolis: tale forza è definita apparente poiché ciò che realmente si sposta al di sotto del corpo è la stessa Terra, che ruota con velocità minore o maggiore a seconda della latitudine. La forza di Coriolis è presa in considerazione per esprimere e spiegare quantitativamente un fenomeno, ma non è la causa reale del moto che sembra produrre.

F_d = 2m x V x w x senj

(m = massa del corpo, w = velocità angolare, j = latitudine).

A tale deviazione sono sottoposti tutti i corpi che si muovono sulla superficie terrestre, le correnti marine e i venti.

2. il ciclo quotidiano/l’alternarsi del dì e della notte.

A causa della forma pressoché sferica della Terra, i raggi solari, che cadono paralleli alla superficie del pianeta, illuminano in ogni istante solo la parte di superficie terrestre che è rivolta verso il Sole, lasciando all’oscurità tutti i punti della parte opposta.

Distinguiamo, quindi, in un giorno (= tempo dell’intera rotazione della Terra, più breve rispetto al tempo della rivoluzione attorno al Sole):

a. dì: periodo di illuminazione della superficie terrestre.

b. notte: periodo di oscurità della superficie terrestre.

L’emisfero illuminato è diviso dall’altro da un circolo d’illuminazione, che presenta una fascia di una certa ampiezza: per questo motivo il passaggio dal dì alla notte non è brusco, ma graduale. L’atmosfera, penetrabile da parte dei raggi solari, permette alla luce di giungere sulla superficie terrestre prima che il Sole appaia sul piano dell’orizzonte: si assiste, così, a fenomeni come la riflessione, la rifrazione e la diffusione, che danno origine alle aurore e ai crepuscoli, la cui durata aumenta nelle regioni polari e nei periodi invernali.

Prove e conseguenze della rivoluzione terrestre

Ipotesi per il moto di rivoluzione:

v Reale movimento annuo del Sole attorno alla Terra

v Reale movimento annuo della Terra attorno al Sole.

In realtà, dalla superficie terrestre, noi vediamo che il Sole percorre un circolo massimo chiamato Eclittica, che attraversa in successione le dodici costellazioni dello Zodiaco (da gennaio a dicembre: Capricorno, Acquario, Pesci, Ariete, Toro, Gemelli, Cancro, Leone, Vergine, Bilancia, Scorpione, Sagittario).

Prove che dimostrano l’effettiva esistenza di un moto di rivoluzione della Terra attorno al Sole:

analogia con altri pianeti del sistema solare
periodicità annua di alcuni gruppi di stelle cadenti
aberrazione della luce proveniente dagli astri: spostamento apparente (rilevabile nell'osservazione astronomica) della posizione di una stella o di un altro oggetto celeste, dovuto alla composizione delle velocità della luce e della Terra. Se la Terra non fosse in movimento, la direzione di puntamento di un telescopio indicherebbe la direzione reale in cui si trova una data stella. Poiché però la Terra si muove, nel sia pur brevissimo intervallo di tempo in cui la luce percorre la distanza fra l'obiettivo e il piano focale, il telescopio si sposta e l'immagine della stella non cade più al centro. Per ripristinare l'allineamento con la stella, il telescopio va inclinato di un certo angolo (circa 20’’) α di aberrazione (compreso tra la direzione reale e quella apparente), puntandolo in una direzione che non è esattamente quella in cui si trova la stella.

La Terra è soggetta a un moto orbitale attorno al Sole, che causa una aberrazione annua, e a un moto di rotazione attorno al proprio asse, che causa una aberrazione diurna, di entità assai minore della prima poiché il moto di rotazione è molto più lento di quello di rivoluzione.

4. Teniamo presente che

v l’asse terrestre è inclinato di 66° 33’ rispetto al piano dell’orbita

v se si considerano tempi non troppo lunghi esso si mantiene costantemente parallelo a se stesso durante l’intero tragitto che la Terra compie intorno al Sole.

Se l’asse terrestre fosse perpendicolare al piano dell’orbita, il circolo dell’illuminazione passerebbe per i poli e la durata del dì e della notte sarebbe costante (12 h ) per ogni punto della superficie terrestre, in ogni periodo dell’anno à non si verificherebbe più l’alternarsi delle stagioni.

Si avrebbe solo una certa variazione nel passaggio del Sole dalla posizione di afelio alla posizione di perielio, ma la differenza è comunque irrilevante.

diversa durata del dì e della notte e altezza del sole nel corso dell’anno.

Il ritmo delle stagioni e le zone di differente riscaldamento.

Gli equinozi e i solstizi possono essere indicati sull’orbita terrestre con le relative posizioni in cui viene a trovarsi la Terra:

v Linea degli equinozi: linea che passando per il centro del Sole unisce i due punti dell’orbita in cui i raggi solari sono allo Zenit sull’Equatore.

v Linea dei solstizi: linea perpendicolare alla linea degli equinozi, unisce i due punti in cui il Sole è alla max elevazione rispetto al piano equatoriale.

v Linea degli apsidi: linea congiungente l’afelio con il perielio, divergente dalla linea precedente di soli 12°.

Il diverso riscaldamento dei vari luoghi della Terra dipende dall’inclinazione dei raggi del Sole: la quantità di calore ricevuta da ciascun punto della superficie terrestre è in funzione del moto di rivoluzione terrestre, poiché nel volgere di un anno si susseguono periodi più caldi e più freddi, si ha cioè l’alternarsi delle stagioni.

Le stagioni astronomiche, che risultano naturalmente invertite nei due emisferi, sono i periodi di tempo compresi tra un equinozio e il solstizio successivo o tra un solstizio e l’equinozio successivo. Esse sono così delimitate:

*Emisfero boreale*	*Emisfero australe*	*dal/al*	*durata*
Primavera	Autunno	21 marzo / 21 giugno	92d 21h
Estate	Inverno	21 giugno / 23 sett.	93d 9h
Autunno	Primavera	23 sett./ 22 dic.	90d circa
Inverno	Estate	22 dic./ 21 marzo	89d circa

Pertanto, nel nostro emisfero, il semestre primavera-estate è più lungo di circa una settimana rispetto al semestre autunno-inverno in quanto in tale periodo la Terra, trovandosi in afelio, rallenta in base alla II legge di Keplero.

Le stagioni astronomiche non coincidono del tutto con le stagioni meteorologiche, cioè con il reale andamento del tempo meteorologico e del clima, che noi percepiamo: questo fenomeno accade perché l’atmosfera, la litosfera e l’idrosfera terrestri immagazzinano e cedono il calore in variabili intervalli di tempo, impedendo così di percepire immediatamente la variazione dell’inclinazione dei raggi solari.

Convenzionalmente si è stabilito che le stagioni meteorologiche iniziano il primo giorno del mese in cui cade l’equinozio o il solstizio di quelle astronomiche corrispondenti.

Ad avere un’importanza particolare per le condizioni di illuminazione e inclinazione dei raggi solari nel corso dell’anno sono i due tropici e i due circoli polari: essi dividono idealmente la superficie terrestre in 5 zone astronomiche, caratterizzate da diverse condizioni di riscaldamento:

Nome della zona astronomica	*Limitata a nord da*	*Limitata a sud da*
torrida o intertropicale:	tropico del cancro	tropico del capricorno
temperata boreale:	circolo polare artico	tropico del cancro
temperata australe:	tropico del capricorno	circolo polare antartico
calotta polare artica:	polo nord	circolo polare artico
calotta polare antartica:	circolo polare antartico	polo sud

Fonte: http://www.itisavoia.ch.it/colonna/scienzterra/moti.doc

Sito web da visitare: http://www.itisavoia.ch.it

Autore del testo: prof. A.Colonna

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