Le stagioni

Tutti abbiamo ben presente le differenze del clima dovute all’alternarsi delle stagioni, ma quali sono le cause di natura astronomica che le determinano?
Forti delle nostre esperienze quotidiane che ci assicurano che avvicinandoci ad una sorgente di calore sentiamo più caldo verrebbe da pensare che l’Estate è determinata dalla maggiore vicinanza della Terra al Sole e d’Inverno il contrario.
Le cose non stanno così. E’ pur vero che la Terra, descrivendo un’orbita ellittica intorno al Sole a volte è più vicina e altre più lontana, ma la differenza di distanza non è tale da giustificare cambiamenti climatici così macroscopici. Inoltre non si spiegherebbe come mai mentre nell’emisfero Nord è estate e fa caldo in quello Sud è contempraneamente inverno e fa freddo. Non solo, ma si dà il caso che attualmente la Terra sia più vicino al Sole proprio durante il nostro inverno!
La vera unica ragione è che la Terra si muove nello spazio con l’asse di rotazione inclinato costantemente di circa 23°.5 sul piano della traiettoria che percorre attorno al Sole (orbita o piano dell’Eclittica).

Se non si specifica “rispetto al piano dell’orbita” non ha senso di parlare di inclinazione; nello spazio infatti non esiste nè il”sopra” nè “il sotto”, nè riferimenti preferenziali se non quelli che si scelgono opportunamente per l’esame di un particolare fenomeno.
Questa miracolosa inclinazione fa sì che il nostro pianeta, durante l’anno, si presenti al Sole in maniera diversa favorendo maggiormente il riscaldamento di un emisfero piuttosto che dell’altro.
Se non vi fosse questa inclinazione, e l’asse di rotazione fosse perpendicolare al piano dell’orbita La Terra si esporrebbe al Sole sempre alla stessa maniera e quindi non ci sarebbero mutamenti stagionali. Sarebbe eterna Primavera su tutto il pianeta anche se, ovviamente, continuerebbero ad aversi le differenze climatiche tra le varie zone del pianeta. D’altro canto se l’asse di rotazione fosse del tutto inclinato le stagioni sarebbero esasperate tanto da aversi ai Poli lo stesso clima che c’è attualmente all’Equatore.
Durante l’anno la Terra passa attraverso quattro punti caratteristici dell’orbita, noti fin dall’antichità in quanto il Sole, nei giorni corrispondenti assume un comportamento particolare. Questi punti, identificati con i termini di Solstizi ed Equinozi sono più o meno equamente intervallati nel tempo e segnano proprio il passaggio da una stagione all’altra.

Le posizioni della Terra nel suo moto di rivoluzione attorno al Sole
in quattro momenti dell'anno: i Solstizi e gli Equinozi

I due Equinozi dal punto di vista astronomico sono equivalenti ed indistinguibili.
La Terra vi giunge mediamente intorno al 21 di Marzo e al 23 di Settembre. In tale momento la Terra si presenta in modo che il Sole giace esattamente sul piano dell’Equatore e quindi dispensa luce e calore equamente sia sull’emisfero Nord che quello Sud. Anche dal punto di vista climatico i due periodi si equivalgono; l’unica differenza è il “verso” del cambiamento del clima: in Marzo si passa dal freddo al caldo, mentre a Settembre accade il contrario.
Durante gli Equinozi chi abita all’Equatore vedrà a Mezzogiorno il Sole sulla propria testa (allo Zenith, astronomicamente parlando).

Il Sole agli Equinozi giace esattamente sul piano dell'Equatore

Fenomeno particolare: in questo periodo il giorno dura, su tutta la Terra, esattamente quanto la notte. L’arco diurno percorso dal Sole è esattamente identico a quello notturno e ad un osservatore alla nostra latitudine si presenta come nella figura sotto.

Il percorso giornaliero apparente del Sole il giorno degli Equinozi (alle nostre latitudini)
Come si nota l'arco diurno e notturno sono di identica ampiezza.

Il Sole sorge esattamente sul punto cardinale Est e tramonta sul punto Ovest. E’ proprio all’uguaglianza tra giorno e notte che si deve il termine Equinozio (dal latino aequs noctis).
Per l’emisfero Nord (il nostro) finisce l’Invermo ed inizia la Primavera (21 Marzo) mentre il 23 Settembre termina l’Estate ed inizia l’Autunno. Ovviamente nell’emisfero Sud le cose risultano invertite.La posizione della Terra nei due Equinozi corrisponde a due punti della sua orbita diametralmente opposti rispetto al Sole: ci si attenderebbe pertanto che l’Equinozio autunnale cadesse il giorno 19 di Settembre, esattamente 6 mesi dopo l’equinozio di Primavera.
L’orbita descritta dalla Terra, pur essendo molto vicina alla forma circolare è in realtà di forma ellittica e nel rispetto delle Leggi di Keplero (che regolano il moto di un corpo celeste attorno ad un altro) la velocità del corpo orbitante non è costante ma variabile; in particolare la Terra (come tutti gli altri pianeti) corre tanto più velocemente quanto più vicina è al Sole per poi tornare a rallentare quando se ne allontana. Poichè nel periodo estivo la Terra si trova alla distanza massima dal Sole ecco che questa rallenta e arriva al punto equinoziale autunnale un po’ in ritardo.

Durante i Solstizi Terra e Sole si presentano come nella figura sottostante.

I Solstizi

In quello Invernale (21 Dicembre) il Sole illumina e riscalda prevalentemente l’emisfero Sud. Le giornate sono cortissime (alle nostre latitudini 8 ore e 50 minuti di luce contro 15 ore e 10 minuti di oscurità), il Sole sorge in un punto variabile intermedio tra l’Est ed il Sud e tramonta tra l’Ovest e il Sud; l’altezza a mezzogiorno è la minima di tutto l’anno: appena una ventina di gradi. La scarsa variabilità della durata del giorno a cavallo del 21 ha fatto sì che questo evento astronomico fosse dagli antichi indicato con il termine Solstizio (Sol Stat, il Sole sta, si ferma, si riposa). Intorno a Marzo e Settembre invece le giornate rispettivamente si allungano e si accorciano con un ritmo sostenuto tale da essere evidente a tutti.
La minor durata del giorno e la bassa inclinazione dei raggi solari è ciò che determina il clima freddo. L’atmosfera terrestre infatti non è riscaldata direttamente dal raggi solari che l’attraversano in maniera quasi (termicamente) trasparente ma dalla successiva radiazione assorbita dal suolo e reimmessa nell’aria circostante. Quest’ultima radiazione è tanto maggiore quanto più è elevato l’angolo con il quale i raggi solari incidono sul suolo.
Al Solstizio estivo le cose si invertono; il Sole riscalda prevalentemente l’emisfero Nord, raggiunge la sua massima altezza sull’orizzonte (70°) e sorge e tramonta nel settore Nord. Poichè la macchina atmosferica reagisce con una certa inerzia, l’Estate meteorologica si verifica con circa un mese di ritardo rispetto a quella astronomica, per cui il periodo delle temperature più alte, mediamente, si ha tra Luglio ed Agosto quando le giornate ormai si sono già sensibilmente accorciate. Questo “sfasamento” tra la causa e l’effetto è una costante di tutti i fenomeni meteorologici. Infatti anche il periodo più freddo dell’Inverno si verifica intorno al Febbraio, un mese dopo il Solstizio Invernale e, esperienza di tutti i giorni, il momento più caldo della giornata è intorno alle ore 14 (prescindendo dall’ora legale) e non a mezzogiorno, così come le ore più fredde si hanno poco prima dell’alba e non intorno alla mezzanotte. Questo ovviamente come valori medi ed in condizioni di tempo stabile e non perturbato
Il moto giornaliero apparente del Sole, ai Solstizi appare così.

I percorsi giornalieri apparenti del Sole nei giorni del Solstizio invernale ed estivo (alle nostre latitudini)
Si notano le diverse ampiezze degli archi diurni e notturni

Intorno a questi due momenti il Sole sembra quasi che si fermi, cioè le giornate non si allungano nè si accorciano sensibilmente ( mentre agli Equinozi la lunghezza delle gionate cambia rapidamente). Per questo motivo i Solstizi hanno preso tale nome (dal latino Sol stat = il sole si ferma, si riposa). Sempre a causa della forma ellittica dell’orbita terrestre e della non costante velocità dela Terra le stagioni non hanno uguale durata: il periodo Primavera -Estate è più lungo di circa 7 sette giorni del corrispondente periodo Autunno- Inverno. La durata media delle stagioni è la seguente:

Primavera gg. 93
Estate gg. 93
Autunno gg. 90
Inverno gg. 89

Un’altra caratteristica è la variabilità della ricorrenza dei Solstizi e degli Equinozi. Nonostante i fenomeni astronomici siano di una ciclicità rigorosa i loro periodi mal si attagliano al nostro imperfetto calendario, per cui le date di tali eventi sono leggermente fluttuanti.
Ecco come si sono distruite le date degli Equinozi e dei Solstizi dall’introduzione del Calendario Gregoriano (1582).

Come si vede le date di maggior frequenza sono quelle che vengono considerate comunemente “ufficiali” a parte la Primavera la cui ricorrenza è associata al 21 di Marzo mentre cade più frequentemente il 20.

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