venerdì 21 giugno 2013

Perché esistono le stagioni?

Mi è capitato di dare qualche ripetizione di scienze in passato e l'argomento era proprio i moti della Terra. Non mi feci scappare l'occasione e subito chiesi: "Come mai abbiamo le stagioni?".
La risposta che ricevetti fu: "Perché la Terra gira intorno al Sole".
Questa è la risposta più semplice ma anche la più ingenua perché non tiene conto di un fattore importantissimo di cui parleremo tra poco. Infatti vedremo tra breve che la sola condizione di "girare intorno al Sole" non è una condizione sufficiente ad avere le stagioni sulla Terra.
Cerchiamo innanzitutto di immaginare la situazione: supponiamo che il Sole sia un gigantesco enorme cocomero e la Terra sia una minuscola mela. Immaginiamo inoltre che tutto il moto del sistema Terra-Sole si svolga su di una bella tavola da pranzo, giusto per far viaggiare meglio l'immaginazione! Ora vedremo che l'ingrediente fondamentale delle stagioni è il picciolo della mela. Già, perché a naso ognuno di noi metterebbe la mela poggiata sul tavolo con il picciolo allineato con la verticale (cioè perpendicolarmente alla tavola da pranzo): ma ciò corrisponde alla realtà? Ovvero l'asse terrestre è diretto esattamente lungo la verticale?
Ebbene no. L'asse terrestre (ovvero la linea passante per il centro della Terra e per i poli Nord e Sud) è inclinato di 23 gradi rispetto alla verticale. Ed è proprio questa inclinazione l'elemento fondamentale delle stagioni.
A questo punto, per chiarirci meglio le idee abbiamo bisogno di una bella figura:




Fonte: splashragazzi.altervista.org


La situazione di oggi 21 giugno è quella indicata sulla vostra sinistra. Infatti l'asse è inclinato di 23 gradi sempre, durante tutto il giro attorno al Sole e soprattutto esso è inclinato sempre puntando nella stessa e medesima direzione. Dunque, il 21 giugno la Terra "sporge" verso il Sole e quindi i raggi arrivano perpendicolari nella zona chiamata Tropico del Cancro situata nell'emisfero nord. Situazione inversa il 21 dicembre quando la Terra "si tira indietro" e i raggi arrivano perpendicolari nell'emisfero sud nella zona chiamata Tropico del Capricorno. L'effetto finale di tutto ciò è che quando da noi in Italia è estate in Australia è inverno e viceversa!
Un discorso a parte meritano la primavera e l'autunno. Infatti in tali giorni si ha la speciale caratteristica che i raggi arrivano perpendicolarmente all'equatore, ovvero al cerchio che divide la Terra in due emisferi uguali. Ciò significa che la Terra né sporge né si tira indietro rispetto al Sole in quanto l'asse è sempre inclinato ma non nella direzione del Sole (come potete vedere nella figura di sopra).
Gli equinozi sono chiamati così perché la Terra è illuminata ugualmente. Cioè si hanno 12 ore di giorno e 12 ore di notte in tutto il pianeta. 
Ora prendiamo in esame la situazione delle stagioni dal punto di vista dell'Italia (o in generale dal punto di vista dell'emisfero nord; discorsi analoghi con conclusioni però opposte valgono per l'emisfero sud).
Cominciamo il nostro viaggio il 21 marzo, giorno dell'equinozio di primavera. Abbiamo uguale durata del giorno e della notte. Man mano che la Terra prosegue il suo viaggio attorno al Sole cosa accade? Accade che la Terra viaggia verso il solstizio d'estate, dove il nostro emisfero nord si "sporge" verso il Sole. E contemporaneamente, giorno dopo giorno, le ore di luce aumentano gradualmente fino a raggiungere il massimo proprio il 21 giugno dove abbiamo il giorno (inteso come ore di luce a disposizione) più lungo dell'anno. Dopo ciò, le giornate tornano ad accorciarsi fino a raggiungere l'equinozio di autunno il 23 settembre in cui torniamo ad avere 12 ore di giorno e 12 di notte. Poi il viaggio prosegue verso il solstizio d'inverno in cui le giornate continuano ad accorciarsi fino a raggiungere il minimo di ore di luce il 21 dicembre. E poi il giro si chiude di nuovo il 21 marzo.
Tutto questo spiega anche perché ai poli abbiamo circa sei mesi di luce e circa sei mesi di buio.
Questo era anche lo scopo di questo post: infatti d'estate il Sole tramonta sempre molto tardi ma non dimenticate che il giorno più lungo dell'estate è proprio il primo giorno della stagione! Successivamente le giornate iniziano subito ad accorciarsi durante la "bella" stagione.
Però, c'è un però. Se vogliamo essere precisi dobbiamo anche dire che l'asse terrestre non sta sempre fermo a puntare una direzione fissa per sempre. Infatti siccome la Terra è in buona compagnia di Sole, Luna e altri pianeti, l'interazione gravitazionale di tutti questi corpi provoca un movimento dell'asse terrestre chiamato precessione lunisolare. 
Spieghiamo di che si tratta: come già detto, a causa dell'interazione gravitazionale tra la Terra, il Sole e la Luna si ha che l'asse terrestre compie, circa ogni 26 mila anni, un giro completo attorno alla verticale.
Ora prima di andare avanti diciamo subito una cosa: perché entrambi Sole e Luna provocano questo effetto? Perché la forza di gravità è direttamente proporzionale alla massa al quadrato e inversamente proporzionale alla distanza al quadrato: dunque il Sole esercita un'azione pur essendo lontano poiché è estremamente massivo; la Luna anche poiché, pur non essendo molto massiva, è comunque il corpo celeste più vicino a noi.
Qual è l'effetto della precessione lunisolare? L'effetto è anticipare le stagioni. Infatti pensate un attimo al solstizio d'estate: come abbiamo detto esso avviene il giorno in cui la Terra si sporge verso il Sole direttamente. Però siccome l'asse terrestre ruota in senso orario allora questo momento avviene in maniera anticipata ogni anno. Per vederlo meglio ecco una splendida figura che ho trovato su Wikipedia:



Dunque, a causa della precessione, dovremmo avere l'estate sempre anticipata. Come mai invece il solstizio d'estate cade sempre intorno al 21 giugno? Questa è una bella domanda ed è anche l'origine del titolo di questo post.
Tutto il merito va a chi ha ideato il calendario che usiamo tuttora. Infatti abbiamo due possibilità per definire la durata dell'anno. La prima possibilità, la più ovvia, è contare un anno quando la Terra ha compiuto un giro di 360 gradi attorno al Sole. Una maniera per misurare ciò è usare lo sfondo delle stelle lontane che, in quanto lontanissime (anni luce), possiamo considerare ferme (anche se in realtà si muovono eccome a svariati chilometri al secondo). Allora quando dalla Terra rivediamo le stesse stelle nelle stesse posizioni abbiamo fatto un giro completo attorno al Sole. Questo anno è chiamato anno siderale. 
Però questa definizione di anno non è molto utile a noi esseri umani che basiamo i nostri ritmi sulle stagioni. E infatti i nostri calendari usano l'anno tropico. Questo è l'anno definito come l'intervallo di tempo tra due solstizi d'estate, per esempio (o due equinozi di primavera, etc.).
L'anno tropico dura 365 giorni, 5 ore, 48 minuti, 46 secondi ed è circa 20 minuti più breve dell'anno siderale. Fin qui tutto bene se non fosse che il nostro calendario "tropico" è fatto di 365 giorni soltanto. 
Che fine fanno le circa 6 ore?
Qui entra in gioco l'anno bisestile che, come tutti sapete, rappresenta la consuetudine di aggiungere un giorno al mese di febbraio ogni 4 anni. Infatti il nostro calendario di 365 giorni spaccati perde ogni anno le 6 ore dell'anno tropico. Dunque dopo 4 anni perdiamo un giorno intero! Per questo è necessario introdurre il celeberrimo 29 febbraio che provoca tanti problemi di festeggiamenti a coloro che fanno il compleanno quel giorno! 
Bene, ora avete tutti gli ingredienti per godervi il vostro solstizio d'estate!