Inclinazione dell'asse e stagioni

L'asse inclinato e il parallelismo

Il piano su cui la Terra percorre la sua orbita intorno al Sole si chiama piano dell'orbita (o piano dell'eclittica). L'asse di rotazione terrestre non è perpendicolare a questo piano: forma con la perpendicolare un angolo di circa $23{,}5°$.

Durante la rivoluzione l'asse mantiene sempre la stessa direzione nello spazio (verso la Stella Polare): si dice che resta parallelo a se stesso. Quindi in una parte dell'orbita il polo Nord è inclinato verso il Sole, nella parte opposta è inclinato dalla parte contraria.

Solstizi ed equinozi

Quattro punti dell'orbita segnano l'inizio delle stagioni astronomiche (date per l'emisfero boreale, cioè Nord):

Al solstizio d'estate il polo Nord è inclinato verso il Sole: i raggi arrivano perpendicolari (cioè il Sole è allo zenit) sul Tropico del Cancro, a $23{,}5°$ N. Al solstizio d'inverno accade il contrario: il Sole è allo zenit sul Tropico del Capricorno, a $23{,}5°$ S. Agli equinozi l'asse non è inclinato né verso il Sole né dalla parte opposta: il Sole è allo zenit sull'Equatore e in tutta la Terra il dì dura quanto la notte (circa 12 ore); «equinozio» significa proprio «notte uguale».

L'altezza del Sole a mezzogiorno

Sull'orizzonte di un luogo il Sole a mezzogiorno raggiunge la sua altezza massima del giorno. Chiamiamo $\varphi$ la latitudine del luogo e $\delta$ la declinazione del Sole, cioè la latitudine del punto in cui il Sole è allo zenit quel giorno:

• solstizio d'estate: $\delta = +23{,}5°$;

• equinozi: $\delta = 0°$;

• solstizio d'inverno: $\delta = -23{,}5°$.

La regola è

Perché? Se il Sole è allo zenit alla latitudine $\delta$, spostandoti di $|\varphi - \delta|$ gradi lungo il meridiano i raggi si inclinano della stessa quantità rispetto alla verticale; l'altezza sull'orizzonte è il complemento a $90°$.

Agli equinozi $h = 90° - 45° = 45°$. L'escursione tra estate e inverno è di $47°$ (il doppio dell'inclinazione).

Applicazione. Un pannello solare rende di più se i raggi lo colpiscono perpendicolarmente. Se il Sole ha altezza $h$, il pannello va inclinato rispetto all'orizzontale di $90° - h$. A Palermo ($38°$ N) all'equinozio $h = 90° - 38° = 52°$, quindi l'inclinazione ottimale è $90° - 52° = 38°$, uguale alla latitudine. Al solstizio d'estate $h = 90° - (38° - 23{,}5°) = 75{,}5°$: l'inclinazione ottimale è $14{,}5°$, cioè $23{,}5°$ in meno.

Tropici, circoli polari e zone astronomiche

L'inclinazione $\varepsilon \approx 23{,}5°$ fissa la posizione di paralleli importanti:

• Tropici: latitudine $\pm\varepsilon = \pm 23{,}5°$. Sono i paralleli più lontani dall'Equatore in cui il Sole può essere allo zenit.

• Circoli polari: latitudine $\pm(90° - \varepsilon) = \pm 66{,}5°$. Sono i paralleli oltre i quali, almeno un giorno all'anno, il Sole non tramonta e almeno un giorno non sorge.

Perché $90° - \varepsilon$? Al solstizio d'estate il Sole è allo zenit a $23{,}5°$ N; i raggi sono tangenti alla Terra a $23{,}5°$ dal polo, cioè a $90° - 23{,}5° = 66{,}5°$ N. Oltre questo parallelo la parte di Terra illuminata include tutto il parallelo: è il Sole di mezzanotte. Al Circolo Polare Artico, a $66{,}5°$ N, il giorno del solstizio d'estate il Sole tocca l'orizzonte a mezzanotte senza tramontare; a quello d'inverno a mezzogiorno lo sfiora senza salire sopra l'orizzonte.

Le zone astronomiche sono tre: zona torrida (tra i tropici), zone temperate (tra tropici e circoli polari; l'Italia è qui), zone fredde o glaciali (oltre i circoli polari).

Perché fa più caldo d'estate

Ci sono due effetti, entrambi dovuti all'inclinazione.

1. Durata del dì. In estate il nostro emisfero è inclinato verso il Sole: il tratto di parallelo illuminato è più lungo di quello al buio. A Milano ($45{,}5°$ N) il 21 giugno il dì dura circa 15 h 40 min, il 21 dicembre circa 8 h 40 min. Più ore di Sole, più energia ricevuta.

2. Inclinazione dei raggi. Quando il Sole è alto i raggi arrivano quasi perpendicolari: la stessa energia si distribuisce su una superficie piccola. Quando è basso i raggi sono obliqui e la stessa energia si spalma su una superficie più grande, quindi ogni metro quadrato si scalda meno.

C'è poi un ritardo: il mese più caldo da noi è luglio, non giugno. Terra e mari hanno inerzia termica: si scaldano e si raffreddano lentamente. Dopo il solstizio d'estate il suolo e il mare ricevono ancora più energia di quella che perdono, quindi la temperatura continua a salire per qualche settimana.

Altri pianeti, altri emisferi, l'Equatore

Un pianeta senza inclinazione. Se l'asse fosse perpendicolare all'orbita ($0°$), il Sole sarebbe sempre allo zenit sull'Equatore: niente solstizi, niente stagioni, dì e notte sempre di 12 ore a ogni latitudine (tranne ai poli). Non ci sarebbero né tropici né circoli polari, o meglio coinciderebbero con l'Equatore e i poli. Con inclinazione di $60°$, invece, i tropici sarebbero a $\pm 60°$ e i circoli polari a $\pm(90° - 60°) = \pm 30°$: la zona torrida e le zone fredde si sovrapporrebbero tra $30°$ e $60°$ di latitudine e non esisterebbe una zona temperata nel senso usuale.

Emisfero australe. Quando il polo Nord è inclinato verso il Sole, il polo Sud lo è dalla parte opposta: le stagioni sono invertite. Quindi ha ragione Anna: a Natale in Australia è estate (Luca sbaglia).

L'Equatore. Il Sole è allo zenit all'Equatore ai due equinozi e a mezzogiorno è sempre molto alto ($h$ tra $66{,}5°$ e $90°$): l'insolazione è quasi costante e il dì dura sempre circa 12 ore. Perciò le temperature variano poco durante l'anno, e le stagioni si distinguono per le precipitazioni: stagione secca e stagione piovosa, legate allo spostamento delle fasce di piogge durante l'anno.

Torniamo all'inizio: a Torino a giugno c'è luce fino a tardi perché l'emisfero boreale è inclinato verso il Sole, quindi il dì è lungo e il Sole alto; a dicembre accade il contrario.

In sintesi

• L'asse terrestre è inclinato di circa $23{,}5°$ rispetto alla perpendicolare al piano dell'orbita e resta parallelo a se stesso durante la rivoluzione.

• Le stagioni dipendono da questa inclinazione, non dalla distanza dal Sole.

• Solstizi (21 giugno, 21 dicembre) ed equinozi (21 marzo, 23 settembre) segnano l'inizio delle stagioni; all'equinozio dì e notte durano uguale ovunque.

• Altezza del Sole a mezzogiorno: $h = 90° - |\varphi - \delta|$, con $\delta = \pm 23{,}5°$ ai solstizi e $0°$ agli equinozi.

• Tropici a $\pm 23{,}5°$, circoli polari a $\pm 66{,}5°$; l'inerzia termica ritarda i mesi più caldi e più freddi.