M00.7 – Geometria della Terra, atmosfera e orientamento geografico¶
1. Obiettivi della lezione¶
Al termine della lezione sarai in grado di:
- descrivere la forma e le dimensioni della Terra;
- distinguere raggio equatoriale e raggio polare;
- comprendere i movimenti di rotazione e rivoluzione;
- spiegare l'inclinazione dell'asse terrestre;
- comprendere l'origine astronomica delle stagioni;
- distinguere giorno solare e giorno siderale;
- interpretare il percorso apparente del Sole;
- comprendere il rapporto tra radiazione solare e temperatura;
- riconoscere il ruolo della geometria terrestre nella meteorologia.
2. La forma della Terra¶
La Terra non è una sfera perfetta.
La sua forma è approssimativamente quella di uno sferoide oblato, cioè un corpo leggermente schiacciato ai poli e rigonfio all'Equatore.
Questa forma è dovuta principalmente alla rotazione terrestre.
Per descrivere con precisione la forma reale del pianeta si utilizza il concetto di geoide, una superficie equipotenziale del campo gravitazionale che approssima il livello medio dei mari prolungato idealmente sotto i continenti.
Per molti calcoli introduttivi si può comunque utilizzare una sfera con raggio medio di circa 6371 km.
3. Dimensioni principali della Terra¶
Valori medi e di riferimento:
| Grandezza | Valore approssimativo |
|---|---|
| Raggio equatoriale | 6378,137 km |
| Raggio polare | 6356,752 km |
| Raggio medio | 6371 km |
| Diametro equatoriale | 12.756 km |
| Diametro polare | 12.714 km |
| Circonferenza equatoriale | 40.075 km |
| Superficie totale | 510 milioni km² |
| Superficie degli oceani | circa 71% |
| Superficie delle terre emerse | circa 29% |
La differenza tra il raggio equatoriale e quello polare è di circa 21,4 km.
La Terra è quindi leggermente schiacciata ai poli.
4. Calcolo della circonferenza terrestre¶
La circonferenza di una sfera si calcola con:
Dove:
- C = circonferenza;
- r = raggio;
- π ≈ 3,14159.
Utilizzando il raggio medio terrestre:
Il risultato è una stima basata sulla sfera media. La circonferenza equatoriale reale è maggiore, circa 40.075 km.
5. L'asse terrestre¶
L'asse terrestre è la linea immaginaria che attraversa il pianeta passando per il Polo Nord e il Polo Sud geografici.
La Terra ruota attorno a questo asse.
L'asse terrestre non è perpendicolare al piano dell'orbita terrestre: è inclinato.
L'inclinazione rispetto alla perpendicolare al piano orbitale è circa:
Questa inclinazione è fondamentale per comprendere:
- l'alternanza delle stagioni;
- la durata del giorno e della notte;
- la variazione annuale dell'altezza apparente del Sole;
- la distribuzione geografica della radiazione solare.
6. Il movimento di rotazione¶
La rotazione è il movimento della Terra attorno al proprio asse.
Avviene da Ovest verso Est.
Per questo motivo il Sole sembra sorgere a Est e tramontare a Ovest.
6.1 Durata della rotazione¶
Occorre distinguere:
- giorno siderale: circa 23 ore, 56 minuti e 4 secondi;
- giorno solare medio: 24 ore.
Il giorno siderale è il tempo necessario affinché la Terra compia una rotazione rispetto alle stelle lontane.
Il giorno solare medio è l'intervallo medio tra due passaggi consecutivi del Sole sullo stesso meridiano.
La differenza dipende dal fatto che, mentre ruota, la Terra si sposta anche lungo la propria orbita attorno al Sole.
6.2 Conseguenze della rotazione¶
La rotazione terrestre determina:
- alternanza tra giorno e notte;
- movimento apparente giornaliero del Sole;
- variazione giornaliera dell'insolazione;
- effetto Coriolis sui movimenti atmosferici e oceanici.
La rotazione non è la causa delle stagioni: queste dipendono principalmente dall'inclinazione dell'asse terrestre e dalla rivoluzione attorno al Sole.
7. Il movimento di rivoluzione¶
La rivoluzione è il movimento della Terra lungo la sua orbita attorno al Sole.
La traiettoria è un'ellisse con il Sole in uno dei fuochi.
La durata di una rivoluzione rispetto alle stelle lontane è circa:
Questo intervallo è chiamato anno siderale.
L'anno tropico, legato al ciclo delle stagioni, dura circa:
Il calendario civile utilizza anni di 365 giorni e introduce gli anni bisestili per mantenersi sincronizzato con il ciclo astronomico.
8. L'orbita terrestre¶
L'orbita terrestre è leggermente ellittica.
I due punti principali sono:
- perielio: punto dell'orbita più vicino al Sole;
- afelio: punto dell'orbita più lontano dal Sole.
Valori approssimativi:
| Posizione | Distanza media indicativa |
|---|---|
| Perielio | 147,1 milioni km |
| Afelio | 152,1 milioni km |
| Distanza media | 149,6 milioni km |
Il perielio si verifica generalmente all'inizio di gennaio, mentre l'afelio si verifica generalmente all'inizio di luglio.
È importante comprendere che le stagioni non sono causate principalmente dalla distanza Terra-Sole.
Quando nell'emisfero settentrionale è inverno, la Terra è vicina al perielio.
La causa principale delle stagioni è l'inclinazione dell'asse terrestre.
9. L'origine delle stagioni¶
Durante la rivoluzione terrestre l'asse di rotazione mantiene approssimativamente la stessa orientazione nello spazio.
Di conseguenza, nel corso dell'anno, i due emisferi ricevono quantità differenti di radiazione solare.
Quando l'emisfero settentrionale è inclinato verso il Sole:
- i raggi solari arrivano mediamente più perpendicolari;
- le giornate sono più lunghe;
- la quantità giornaliera di energia ricevuta aumenta;
- si verifica l'estate boreale.
Contemporaneamente, nell'emisfero meridionale si verifica l'inverno australe.
Sei mesi dopo la situazione è opposta.
10. Solstizi ed equinozi¶
Nel corso dell'anno si verificano quattro importanti momenti astronomici.
10.1 Solstizio di giugno¶
Si verifica generalmente il 20 o 21 giugno.
Caratteristiche:
- inizio dell'estate astronomica nell'emisfero settentrionale;
- inizio dell'inverno astronomico nell'emisfero meridionale;
- massima durata del giorno nell'emisfero settentrionale;
- il Sole raggiunge la declinazione apparente di circa +23,44°.
10.2 Equinozio di settembre¶
Si verifica generalmente il 22 o 23 settembre.
Caratteristiche:
- inizio dell'autunno astronomico nell'emisfero settentrionale;
- inizio della primavera astronomica nell'emisfero meridionale;
- durata del giorno e della notte approssimativamente uguale.
10.3 Solstizio di dicembre¶
Si verifica generalmente il 21 o 22 dicembre.
Caratteristiche:
- inizio dell'inverno astronomico nell'emisfero settentrionale;
- inizio dell'estate astronomica nell'emisfero meridionale;
- minima durata del giorno nell'emisfero settentrionale;
- il Sole raggiunge la declinazione apparente di circa -23,44°.
10.4 Equinozio di marzo¶
Si verifica generalmente il 20 marzo.
Caratteristiche:
- inizio della primavera astronomica nell'emisfero settentrionale;
- inizio dell'autunno astronomico nell'emisfero meridionale;
- durata del giorno e della notte approssimativamente uguale.
Le date esatte possono variare leggermente da un anno all'altro.
11. Latitudine e altezza del Sole¶
L'altezza del Sole sull'orizzonte varia in funzione di:
- latitudine dell'osservatore;
- declinazione solare;
- ora del giorno.
A mezzogiorno solare, quando il Sole attraversa il meridiano locale, l'altezza può essere approssimata da:
Dove:
- h = altezza del Sole sull'orizzonte;
- φ = latitudine dell'osservatore;
- δ = declinazione solare.
La declinazione solare varia approssimativamente tra +23,44° e -23,44° nel corso dell'anno.
11.1 Esempio: Milano al solstizio d'estate¶
Consideriamo:
- latitudine di Milano: 45,46° N;
- declinazione solare: +23,44°.
Il Sole raggiunge quindi un'altezza di circa 68° sull'orizzonte al mezzogiorno solare.
11.2 Esempio: Milano al solstizio d'inverno¶
Consideriamo:
- latitudine: 45,46° N;
- declinazione solare: -23,44°.
Il Sole raggiunge un'altezza di circa 21° sull'orizzonte al mezzogiorno solare.
12. Radiazione solare e angolo di incidenza¶
L'energia solare ricevuta da una superficie dipende anche dall'angolo con cui i raggi la colpiscono.
Quando i raggi sono quasi perpendicolari alla superficie:
- l'energia si concentra su un'area minore;
- l'energia ricevuta per unità di superficie è maggiore.
Quando i raggi arrivano obliquamente:
- la stessa energia si distribuisce su una superficie più ampia;
- l'energia ricevuta per unità di superficie diminuisce.
Questo fenomeno contribuisce alle differenze di riscaldamento tra regioni tropicali e polari e tra estate e inverno.
13. Il bilancio energetico terrestre¶
La Terra riceve energia principalmente dal Sole.
Una parte della radiazione solare viene:
- riflessa dalle nubi;
- riflessa dalla superficie terrestre;
- assorbita dall'atmosfera;
- assorbita dagli oceani e dai continenti.
La superficie terrestre riscaldata emette a sua volta radiazione infrarossa.
L'atmosfera assorbe ed emette parte di questa radiazione, contribuendo all'effetto serra naturale.
Il bilancio tra energia entrante e uscente determina il comportamento energetico del sistema Terra-atmosfera.
14. L'atmosfera terrestre¶
L'atmosfera è l'involucro gassoso che circonda la Terra ed è mantenuto dalla gravità.
La sua composizione, nell'aria secca vicino alla superficie, è approssimativamente:
| Gas | Percentuale in volume |
|---|---|
| Azoto | 78,08 % |
| Ossigeno | 20,95 % |
| Argon | 0,93 % |
| Anidride carbonica | circa 0,04 % |
Il vapore acqueo è presente in quantità variabile e può raggiungere alcuni punti percentuali in volume nelle condizioni più umide.
La composizione dell'atmosfera è fondamentale per comprendere i fenomeni meteorologici e il trasferimento di energia.
15. Gli strati dell'atmosfera¶
L'atmosfera viene suddivisa in diversi strati in base all'andamento della temperatura con la quota.
15.1 Troposfera¶
È lo strato più basso dell'atmosfera.
Caratteristiche:
- si estende mediamente fino a circa 8 km ai poli;
- raggiunge circa 16-18 km nelle regioni tropicali;
- contiene la maggior parte della massa atmosferica;
- contiene quasi tutto il vapore acqueo atmosferico;
- ospita la maggior parte dei fenomeni meteorologici.
La temperatura generalmente diminuisce con l'altitudine, ma esistono situazioni di inversione termica.
15.2 Stratosfera¶
Si estende indicativamente dalla tropopausa fino a circa 50 km.
Contiene lo strato di ozono, che assorbe una parte importante della radiazione ultravioletta solare.
Nella stratosfera la temperatura generalmente aumenta con la quota.
15.3 Mesosfera¶
Si estende indicativamente da 50 a 85 km.
La temperatura diminuisce nuovamente con la quota e raggiunge valori molto bassi nella mesopausa.
15.4 Termosfera¶
Si estende approssimativamente da 85 km a diverse centinaia di chilometri.
La temperatura cinetica dei gas può aumentare notevolmente con la quota.
In questa regione si verificano numerosi fenomeni di ionizzazione e si trova gran parte della regione ionosferica.
15.5 Esosfera¶
È la regione più esterna dell'atmosfera, caratterizzata da gas estremamente rarefatti e da una transizione graduale verso lo spazio.
I limiti tra gli strati non sono superfici rigide: sono definiti convenzionalmente in base all'andamento della temperatura e alle caratteristiche fisiche dell'atmosfera.
16. La pressione atmosferica e la gravità¶
L'atmosfera esercita una pressione dovuta al peso della colonna d'aria sovrastante.
La pressione diminuisce generalmente con l'aumentare della quota.
Questo avviene perché salendo diminuisce la quantità di aria che si trova sopra il punto di osservazione.
La pressione atmosferica è influenzata anche dalla temperatura e dalla distribuzione della massa d'aria.
La gravità terrestre contribuisce a mantenere l'atmosfera intorno al pianeta.
17. Effetto Coriolis¶
La rotazione terrestre influenza il movimento dei corpi in movimento rispetto alla superficie terrestre.
L'effetto Coriolis è una deviazione apparente osservata in un sistema di riferimento rotante.
Nell'emisfero settentrionale la deviazione è verso destra rispetto alla direzione del movimento.
Nell'emisfero meridionale la deviazione è verso sinistra.
L'effetto è:
- nullo all'Equatore;
- massimo ai poli;
- proporzionale alla velocità del corpo e al seno della latitudine.
Il parametro di Coriolis è:
Dove:
- f = parametro di Coriolis, in s⁻¹;
- Ω = velocità angolare di rotazione terrestre;
- φ = latitudine.
Il valore di Ω è circa:
L'effetto Coriolis è importante nella dinamica atmosferica, soprattutto nella circolazione su grande scala.
18. Applicazioni meteorologiche¶
La geometria terrestre e i movimenti astronomici sono alla base di numerosi fenomeni meteorologici.
18.1 Distribuzione geografica della temperatura¶
La diversa inclinazione dei raggi solari contribuisce alla distribuzione della temperatura tra equatore e poli.
18.2 Ciclo giornaliero¶
La rotazione terrestre determina il ciclo diurno dell'insolazione e contribuisce alle variazioni giornaliere della temperatura.
18.3 Stagioni¶
L'inclinazione dell'asse terrestre e la rivoluzione determinano il ciclo stagionale dell'insolazione.
18.4 Circolazione atmosferica¶
La rotazione terrestre, attraverso l'effetto Coriolis, influenza la direzione dei grandi flussi atmosferici.
18.5 Fenomeni convettivi¶
Il riscaldamento disomogeneo della superficie può generare differenze di temperatura e densità nell'aria, favorendo moti convettivi verticali.
19. Errori comuni da evitare¶
- Ritenere la Terra una sfera perfetta.
- Confondere rotazione e rivoluzione.
- Attribuire le stagioni alla distanza Terra-Sole.
- Confondere giorno siderale e giorno solare.
- Considerare l'asse terrestre perpendicolare al piano orbitale.
- Pensare che l'effetto Coriolis generi direttamente il vento.
- Ritenere che la temperatura diminuisca sempre con la quota.
- Confondere l'altezza del Sole con la sua distanza dalla Terra.
20. Esercizi¶
Esercizio 1 – Circonferenza terrestre¶
Utilizzando un raggio medio di 6371 km, calcolare la circonferenza terrestre approssimata.
Esercizio 2 – Rotazione¶
Qual è la differenza principale tra giorno siderale e giorno solare medio?
Esercizio 3 – Stagioni¶
Perché nell'emisfero settentrionale l'estate si verifica quando la Terra è prossima all'afelio?
Esercizio 4 – Altezza solare¶
Calcolare l'altezza del Sole al mezzogiorno solare in una località a 40° N, al solstizio d'estate.
Utilizzare una declinazione solare di +23,44°.
Esercizio 5 – Atmosfera¶
Quale strato atmosferico contiene la maggior parte dei fenomeni meteorologici?
Esercizio 6 – Effetto Coriolis¶
In quale direzione viene deviato un movimento orizzontale nell'emisfero settentrionale?
21. Soluzioni degli esercizi¶
Soluzione 1¶
È una stima sferica basata sul raggio medio.
Soluzione 2¶
Il giorno siderale è il tempo necessario per una rotazione rispetto alle stelle lontane, circa 23 ore, 56 minuti e 4 secondi.
Il giorno solare medio è l'intervallo medio tra due passaggi consecutivi del Sole sullo stesso meridiano, pari a 24 ore.
Soluzione 3¶
Le stagioni dipendono principalmente dall'inclinazione dell'asse terrestre.
Durante l'estate boreale l'emisfero settentrionale è inclinato verso il Sole, riceve raggi mediamente più diretti e presenta giornate più lunghe.
Soluzione 4¶
Soluzione 5¶
La troposfera contiene la maggior parte dei fenomeni meteorologici.
Soluzione 6¶
Nell'emisfero settentrionale la deviazione apparente è verso destra rispetto alla direzione del movimento.
22. Glossario¶
| Termine | Significato |
|---|---|
| Sferoide oblato | Corpo leggermente schiacciato ai poli |
| Geoide | Superficie equipotenziale che approssima il livello medio dei mari |
| Asse terrestre | Asse immaginario di rotazione della Terra |
| Rotazione | Movimento della Terra attorno al proprio asse |
| Rivoluzione | Movimento della Terra attorno al Sole |
| Perielio | Punto dell'orbita più vicino al Sole |
| Afelio | Punto dell'orbita più lontano dal Sole |
| Solstizio | Momento in cui il Sole raggiunge la massima o minima declinazione annuale |
| Equinozio | Momento in cui il Sole attraversa l'Equatore celeste |
| Declinazione solare | Posizione angolare apparente del Sole rispetto all'Equatore celeste |
| Insolazione | Energia solare incidente su una superficie |
| Troposfera | Strato atmosferico più basso |
| Stratosfera | Strato atmosferico sopra la troposfera |
| Effetto Coriolis | Deviazione apparente dei moti in un sistema rotante |
23. Riepilogo della lezione¶
- La Terra è uno sferoide oblato, non una sfera perfetta.
- Il raggio medio terrestre è circa 6371 km.
- La rotazione determina l'alternanza tra giorno e notte.
- La rivoluzione è il movimento della Terra attorno al Sole.
- L'asse terrestre è inclinato di circa 23,44° rispetto alla perpendicolare al piano orbitale.
- Le stagioni dipendono principalmente dall'inclinazione dell'asse terrestre.
- L'angolo di incidenza della radiazione solare influenza il riscaldamento della superficie.
- La troposfera ospita la maggior parte dei fenomeni meteorologici.
- La rotazione terrestre influenza la circolazione atmosferica attraverso l'effetto Coriolis.
Concetto fondamentale da ricordare: la distribuzione dell'energia solare sulla Terra dipende dalla geometria del pianeta, dall'inclinazione dell'asse, dalla posizione del Sole e dalla rotazione terrestre.
Fine della lezione M00.7 – Geometria della Terra, atmosfera e orientamento geografico.