Astronomia COME CAMBIA IL CIELO AL VARIARE DELLA LATITUDINE

Prima di parlare di come varia la visione del cielo al variare della latitudine è necessario fare alcune premesse. Se noi osserviamo contemporaneamente un albero lontano e una mela sul tavolo vicino a noi, può succedere che l’occhio percepisca l’albero e la mela come se avessero la stessa grandezza. Ma in realtà il nostro cervello sa che la percezione errata dipende dalla diversa distanza dei due oggetti. Invece, quando guardiamo il cielo e vediamo due stelle vicine, non sappiamo se sono effettivamente vicine perché il nostro cervello non riesce a elaborare la prospettiva. Di fatto noi vediamo il cielo come se fosse una calotta sferica sulla quale stanno i corpi celesti. La scienza ci insegna che le cose non stanno così, ma per la nostra osservazione il modello sferico va più che bene.                                                     

Di seguito quindi parleremo di sfera celeste (detta anche volta celeste), una sfera il cui raggio r possiamo liberamente considerare uguale alla distanza tra il centro della terra e la stella polare. I piani passanti per il centro della terra intersecano quindi la sfera celeste in circonferenze di raggio r, che per comodità chiameremo circonferenze massime. Inoltre, chiameremo sfera celeste anche la superficie sferica che la racchiude. Ricordiamo che l’equivalente di latitudine, quando riferita ad una stella o costellazione e quindi misurata in gradi sulla sfera celeste, si chiama declinazione. Siccome la terra ruota, noi vediamo il firmamento ruotare intorno ad un asse, detto asse celeste, che consiste nel prolungamento dell’asse di rotazione terrestre e che interseca a nord la sfera celeste in un punto molto vicino al quale si trova la stella polare, la cui declinazione è 89°15’ 51’’, quindi vicinissima a 90°. Essa è l’unica che ha posizione fissa in tutte le ore del giorno (ma non la vediamo perché il sole ci abbaglia) e della notte, a prescindere dalla stagione. Ogni altra stella o costellazione descrive una specifica circonferenza centrata sull’asse celeste, sulla quale la vediamo girare. Quelle che descrivono circonferenze più piccole sono visibili nelle vicinanze del N durante tutte le notti dell’anno, ossia non sorgono e non tramontano, e vengono dette circumpolari. Le più note sono Grande e Piccolo Carro, Cassiopea. Quelle che descrivono circonferenze più grandi, come per esempio Orione e il Cigno, sono “costrette” a sorgere e a tramontare e sono dette stagionali perché le ore di levata e tramonto cambiano durante le stagioni. Quindi per ognuna possiamo dare i periodi di possibile osservazione nell’arco di un anno. Si noti che per osservarle dobbiamo tenere conto del fatto che le vedremo sorgere a E, alzarsi a S, tramontare a W, esattamente come fa anche il Sole, la qual cosa dipende dalla rotazione della terra intorno al proprio asse. Alcune costellazioni si vedono bene in Inverno, come Orione, altre in Estate come il Cigno. Alcune, come per esempio Scorpione, Leone, Toro e Gemelli, sono osservabili in una fascia del cielo molto prossima al percorso del Sole, detta fascia dell’eclittica come vedremo tra poco, e sono dette costellazioni zodiacali. Anche i Pianeti, muovendosi entro il sistema solare, sono osservabili nella zona dell’eclittica. 

A che altezza è la polare?

Supponiamo che l’osservatore sia al Polo N, latitudine 90°.  Ricordiamo che la Stella Polare è vicinissima all’asse celeste e quindi l’osservatore la vede praticamente allo zenit. Tutte le altre stelle sono collocate a una distanza dalla Polare descritta dalla loro declinazione e il loro moto apparente è circolare in senso antiorario. Sono visibili tutte le stelle del cielo boreale e nessuna di quello australe. Ogni costellazione è “circumpolare”.

Per l’osservatore al Polo sud la situazione è analoga, ma non esiste alcuna stella nelle vicinanze dell’asse celeste. La costellazione più vicina, la famosa Croce del Sud, si trova a ben 30° (la sua declinazione è -60°) e  non essendo osservabile in tutti i mesi dell’anno non è neppure circumpolare. Le costellazioni ruotano in senso orario. 

Per le medie latitudini come la nostra (44,5°N), la Polare è circa a metà strada tra lo zenit (90°) e l’orizzonte (0°).

Per l’osservatore all'equatore, cioè a latitudine 0°, il cielo ha un aspetto totalmente diverso. La Stella Polare sfiora la linea dell’orizzonte, naturalmente in direzione nord, mentre in posizione diametralmente opposta c'è il polo sud celeste. Tutto il firmamento appare sorgere dal semicerchio d'orizzonte che va da nord a sud passando per l'est. Le stelle che sorgono esattamente a est passano per lo zenit. Tutto il firmamento tramonta sull'intero semicerchio d'orizzonte racchiuso tra nord e sud, dal lato ovest. Dunque tale osservatore, se rivolto verso N, ha la possibilità di osservare le costellazioni del cielo boreale, se volto a S quelle dell’australe. Nel volgere di un intero anno vedrà tutta la volta celeste.

Tre importanti circonferenze massime 

Orizzonte: è la circonferenza massima che vede l’osservatore. L’orizzonte nel linguaggio comune dipende dall’osservatore (includendo anche l’altezza a cui si trova). Ma se invece di guardare la terra, l’osservatore considera il cielo, quello che può visualizzare è l’emisfero della sfera celeste definito dal piano passante per il centro della terra e perpendicolare all’asse che congiunge tale centro con l’osservatore stesso. Tale emisfero è delimitato da una circonferenza massima detta orizzonte celeste o semplicemente orizzonte. Sull’orizzonte si possono individuare i punti cardinali est (E), ovest (W), nord (N), sud (S). L’osservatore che guarda il cielo trova il punto più alto sulla perpendicolare e lo chiama Zenit (Z). Si osservi che orizzonte e zenit dipendono dall’osservatore e quindi sono detti riferimenti relativi.

Equatore celeste: è la circonferenza massima che si ottiene intersecando il piano che contiene l’equatore terrestre con la sfera celeste e che divide la sfera celeste in emisfero boreale e australe. L’equatore celeste interseca l’orizzonte nei punti E e W e la sua inclinazione rispetto all’orizzonte dipende dalla latitudine. Curiosità: ogni grado di latitudine terrestre corrisponde a 111Km!

Ai poli coincide con l’orizzonte, alle medie latitudini è inclinato rispetto all’orizzonte quanto dice la latitudine, all’equatore è perpendicolare all’orizzonte e passa per lo Z. Si osservi che l’asse celeste e l’equatore celeste sono fissi e non dipendono quindi né dall’osservatore, né dalla stagione. Si dice che sono riferimenti assoluti.

Eclittica: è la circonferenza massima che si ottiene come intersezione della sfera celeste con il piano detto dell’eclittica,  che contiene l’orbita della terra intorno al sole. Anche l’eclittica non dipende né dall’osservatore, né dalla stagione, come l’equatore celeste è quindi un riferimento assoluto. Nell’arco di un giorno la posizione del sole sull’eclittica praticamente non cambia, quello che cambia avviene nell’arco di un anno. I cambiamenti che si vedono durante le 24 ore dipendono solo dalla rotazione della terra. Percorrendo l’eclittica, il sole si trova, rispetto alle stelle fisse, a N dell’equatore celeste in estate, a S in inverno. Interseca l’equatore celeste due volte l’anno agli equinozi e passa dal cielo meridionale a quello settentrionale in primavera e viceversa in autunno. I punti di intersezione tra eclittica ed equatore celeste sono noti come punti d’ariete o gamma e della bilancia o omega. Dato che il piano dell’eclittica contiene il percorso annuale della terra intorno al sole, a noi tutto il sistema solare (sole, luna, pianeti) appare muoversi su questo stesso piano. Grazie   alla semplificazione della “sfera celeste”, oltre il sistema solare, allineate con esso vediamo delle costellazioni. In una fascia di 18° totali, 9°+9° intorno all’eclittica, sono state individuate le costellazioni dette zodiacali, 12 come i mesi dell’anno. Mediamente  ognuna occupa un settore di circa 30° (360°:12=30°). Esse sono visibili sia dall’emisfero boreale che da quello australe. Sono Ariete, Toro, Gemelli, Cancro, Leone, Vergine, Bilancia, Scorpione, Sagittario, Capricorno, Acquario, Pesci. I nomi sono noti a tutti: sono gli stessi usati dall’Astrologia.  

Una conseguenza della reciproca posizione dell’eclittica e dell’equatore celeste o più semplicemente dell’inclinazione dell’asse terrestre, è che le zodiacali basse sull’orizzonte boreale sono contemporaneamente alte nell’emisfero australe (es Scorpione e Sagittario sono basse nelle nostre notti di agosto, sono alte in quelle australi). 

Arriviamo ora al punto centrale del nostro tema. L’osservatore ha visione diversa del cielo notturno a seconda della latitudine della sua posizione, Per quanto riguarda la variazione di longitudine, a parità di latitudine, essa determina soltanto l’anticipo della levata del sole e quindi del sorgere delle stelle.

MEDIE LATITUDINI: sono le più ricche di spunti per la comprensione. Infatti i miti, i nomi delle costellazioni e lo studio dell’astronomia sono stati impostati da popoli che vivevano alle medie latitudini boreali( assiro-babilonesi, egizi, greci…).

La particolarità delle medie latitudini è il fatto che, grazie all’inclinazione dell’asse, si ha la possibilità di affacciarsi nell’emisfero opposto osservando costellazioni che stanno aldilà dell’equatore celeste.

Si possono così osservare:

Circumpolari dell’emisfero di appartenenza (vicine all’asse di rotazione)

Stagionali dell’emisfero di appartenenza

Zodiacali comuni ai due emisferi

Stagionali dell’altro emisfero.

Nel nostro emisfero, se guardiamo a N vediamo le circumpolari che ruotano intorno all’asse celeste e constatiamo che nessuna sorge e tramonta. Per esempio l’Orsa Maggiore si presenta in piedi (estate), sdraiata (autunno e primavera), a testa in giù (inverno), ma è visibile tutte le notti dell’anno. Lo spettacolo è a S dove sono le stagionali, nostre e quelle che riusciamo a vedere dell’altro emisfero e le zodiacali che sono comuni ai due emisferi.

Se ci troviamo in zona australe, a differenza della stella polare che si trova praticamente sull’asse celeste, vicino all’asse non ci sono asterismi particolari, ma lo spettacolo è a N dove stanno le costellazioni stagionali australi come Orione (a testa in giù) e Cane Maggiore con Sirio, le stagionali boreali come Cigno, Aquila e Lira (visibili quasi tutto l’anno), e le zodiacali comuni ai due emisferi.  

Nel corso delle stagioni si vedono nei due emisferi le stesse zodiacali, sicuramente quelle del centro della notte che non sono toccate dagli sfasamenti dovuti alla diversa durata del dì. Come già detto, quelle basse in un’emisfero sono alte nell’altro e, siccome eclittica ed equatore celeste si intersecano nei giorni degli equinozi, in primavera e autunno le zodiacali appaiono al centro del cielo da entrambi gli emisferi.

A causa della rotazione terrestre intorno all’asse celeste, noi vediamo il sole muoversi in cielo secondo un arco più o meno esteso a seconda della stagione. Ogni giorno l’arco si completa in una circonferenza nell’emisfero opposto. Se l’arco diurno è ampio e alto, di notte si completa con uno più ridotto e basso.

Per l’emisfero boreale la visione del cielo più ampia è quella notturna invernale: partendo dall’orizzonte e salendo verso Z, incontriamo per prime le costellazioni stagionali australi (Cane Maggiore con Sirio), poi costellazioni a cavallo tra i due emisferi come Orione tagliato dall’equatore celeste, le zodiacali Ariete, Toro, Gemelli che rivelano l’altezza dell’eclittica, seguono le stagionali boreali come Auriga e ultime, a cavallo dello Z e verso N, le nostre circumpolari.

Alle medie latitudini, agli equinozi il sole sorge esattamente a E e tramonta a W, nel suo cammino diurno si alza non raggiungendo mai lo Z, e raggiungendo a mezzogiorno l’altezza massima di (90°- la latitudine). 

Alle medie latitudini boreali, al solstizio d’estate si ha la massima permanenza del sole in cielo con levata a NE e tramonto a NW così da  creare il percorso più lungo. In cielo il sole raggiunge l’alzata massima con formula 90°- (latitudine-23,5°), per noi 90°- (44,5°- 23,5°) = 69°, che  è quindi la più alta dell’anno. Ricordiamo che nella stessa notte le costellazioni zodiacali e i pianeti sono bassi sull’orizzonte, per esempio Scorpione e Sagittario lo sfiorano.

Al solstizio d’inverno il cammino diurno del sole è il più breve con alzata minima data dalla formula  90°- (latitudine + 23,5°) per noi 90°- (44,5°+ 23,5°)= 22°.

La differenza tra l’alzata massima e la minima è sempre 47°, indipendentemente dalla latitudine in qualunque punto della terra. La levata avviene a SE e il tramonto a SW.

Alle medie latitudini australi ai solstizi si hanno gli stessi fenomeni, le stesse albe a E e tramonti a W, le stesse alzate, ma nella loro estate il sole sorge a SE e tramonta a SW e in inverno a NE e NW.

TROPICI

Agli equinozi il sole percorre nel cielo un arco che segue l’equatore celeste quasi perpendicolarmente all'orizzonte, taglia l’orizzonte in E e W, ma non passa per Z, raggiungendo a mezzogiorno 23° 30’ dallo zenit (verso N o verso S secondo l’emisfero e il tipo di equinozio).  La visibilità del sole dura 12^h.

Nel solstizio d’estate raggiunge Z nel cielo diurno (massima durata del dì, 13^h 15’) e  si ha l’eclittica più bassa nel cielo notturno (minima durata della notte, 10^h 45’). 

Nel solstizio d’inverno, quando il sole in cielo descrive l’arco più breve e a mezzogiorno dista 47° dallo zenit, di notte le stelle dello zodiaco e i pianeti passano per lo zenit. La differenza tra i solstizi è grande esattamente come avviene alle medie latitudini. La massima durata del dì è 13h 15’, la minima 10h 45’. 

In estrema sintesi il cielo diurno non presenta grandi differenze da quello delle medie latitudini se non per il fatto che il sole raggiunge Z al solstizio d’estate e le zodiacali raggiungono  Z nelle notti del solstizio d’inverno. 

 

EQUATORE 

Agli equinozi il sole sorge a E, raggiunge lo Z, tramonta a W con un percorso perpendicolare all’orizzonte. Come accennato prima, di notte nella metà del cielo verso N ci sono le costellazioni dell’emisfero boreale e nella metà verso S quelle  dell’emisfero australe. Le costellazioni che sorgono più vicine a E hanno la possibilità di elevarsi di più sull’orizzonte raggiungendo anche lo Z, esse sono le zodiacali e quelle più vicine all’equatore celeste, dato che agli equinozi l’eclittica e l’equatore celeste si incontrano. Tutte le costellazioni sorgono e tramontano, ma le circumpolari dei due emisferi si alzano davvero poco sull’orizzonte. Rivolgendosi a N si vede la Polare che sfiora l’orizzonte. 

Ai solstizi, d’inverno il sole sorge a SE e tramonta a SW, d’estate sorge a NE e tramonta a NW, l’inclinazione rispetto allo Z è di 23,5° verso N in estate e 23,5° verso S di inverno, 47° gradi in tutto, ma bilanciati a cavallo dell’equatore celeste con conseguente durata del giorno di 12h, uguale a quella della notte.

POLI

L’inclinazione dell’asse terrestre fa sì che agli equinozi il sole sia sull’orizzonte con equatore celeste a 0°. Man mano che si avvia verso l’estate, il sole sale fino a completare l’ascensione col solstizio d’estate “sole di mezzanotte” (con picco a 23,5°) per poi scendere fino all’equinozio d’autunno. Poi passa sotto l’orizzonte, dove rimane nei mesi del lungo inverno, con inclinazione e picco negativi. Il sole quindi non sorge e si ha la possibilità di osservare il cielo polare. Le stelle che si vedono sono tutte circumpolari ed esclusivamente dell’emisfero in cui ci troviamo. Tutte ruotano intorno al polo N celeste (a sud al polo S celeste).