La Terra questa mattina, vista da uno dei satelliti Meteosat del servizio meterologico satellitare europeo, EUMETSAT. Crediti: EUMETSAT

Benvenuta estate!

La notte più corta

È uno dei momenti più attesi dell’anno, e finalmente ci siamo: oggi 21 giugno è arrivato il solstizio d’estate! Questo termine si riferisce a un evento astronomico ben preciso e definito nel tempo. Si tratta infatti del momento in cui i raggi del Sole sono perfettamente perpendicolari al Tropico del Cancro (posto a 23°26′ di latitudine Nord), e quest’anno corrisponde alle 16:57 italiane del 21 giugno 2023. È solo un istante, ma importante perché divide l’anno terrestre in due parti: una in cui le giornate si allungano, e una in cui si accorciano.

Geometria astronomica

Schemino che mostra la posizione della Terra e del suo asse relativamente ai raggi solari nel corso dell’anno.
Crediti: Infini.to – Lorenzo Colombo

La Terra, si sa, è una grossa palla di roccia rotante nello spazio. Il che significa che noi possiamo usare la sua rotazione per tenere traccia del tempo (il giorno), una cosa alquanto utile. La rotazione terrestre però è tutto meno che perfetta, ed è corredata da un sacco di anomalie ed effetti secondari di cui un buon astronomo deve tenere conto. In primo luogo, la Terra è un po’ sbilenca: l’asse di rotazione è inclinato rispetto al piano dell’orbita di circa 23,4°.

Questa caratteristica fa sì che l’inclinazione dei raggi solari nel corso dell’anno non possa essere sempre la stessa. Ci sarà un periodo in cui la Terra punta il suo asse più verso il Sole, aumentando la quantità di energia ricevuta dall’emisfero Nord, e un periodo opposto in cui vale il viceversa. È questo comportamento che fa emergere il fenomeno delle stagioni! Un’alternanza che i nostri antenati hanno notato già migliaia di anni fa, con la nascita dei primi astronomi-sacerdoti in grado di prevedere e sfruttare il ciclo delle stagioni.

Il giorno del Solstizio d’Estate, a mezzogiorno, l’ombra di oggetti perfettamente verticali scompare completamente, generando un effetto bizzarro che sembra il glitch di un videogame.
Crediti: Wikipedia/Daniel Ramirez from Honolulu, USA *

Certo, la Terra obbedisce alla prima legge di Keplero e si muove attorno al Sole seguendo un’orbita ellittica, e quindi la sua distanza varia nel tempo, ma non è questo il motivo della variazione stagionale delle temperature. La distanza cambia infatti dell’1% circa e non basta per spiegare le escursioni termiche stagionali. Inoltre, la differenza avverrebbe contemporaneamente per entrambi gli emisferi, mentre noi sappiamo che le stagioni sono sempre opposte tra Nord e Sud (buon inverno, Australia!). 

Nel momento del solstizio d’estate boreale, se abitate al Tropico del Cancro, il Sole è esattamente sopra la vostra testa (lo zenit), e questo significa che gli oggetti non proiettano più ombre. Una vista alquanto bizzarra per chi non è abituato, e forse un po’ disorientante! Nelle isole Hawaii, a cavallo del Tropico, questa giornata è nota come “il mezzogiorno Lāhainā”, cioè “del Sole crudele”. Al capo opposto del mondo, sul Tropico del Capricorno, il Sole è esattamente al nadir, cioè il punto posto esattamente sotto i vostri piedi.

L’immagine satellitare in apertura dell’articolo mostra in modo molto evidente quello che sta accadendo: il Nord del mondo è completamente illuminato, viceversa il Sud è totalmente immerso nell’ombra. L’equatore invece, come recita il nome, è sempre esattamente diviso in due. Questa geometria genera l’effetto che più ci sta a cuore dell’estate, e cioè l’allungamento delle giornate!

Schemino che mostra l’illuminazione della Terra durante il Solstizio d’Estate boreale, con rappresentati i Tropici e i Circoli Polari.
Crediti: Infini.to – Lorenzo Colombo

Partite dall’equatore: a tale latitudine ci sono sempre esattamente 12 ore notturne e 12 ore diurne, per una semplice questione geometrica. Avvicinandovi al Polo Nord, invece, i vari paralleli terrestri vengono illuminati in modo sempre più asimmetrico. Il giorno del solstizio la Sicilia riceve 14h40m di luce, che salgono a 15h40m per le latitudini della Pianura Padana, e a 18h30m se abitate a Stoccolma. Viceversa se vi muovete verso il Sud del mondo la differenza si fa sempre più marcata, finché non si raggiunge il “punto di non ritorno” presso i Circoli Polari (posti a 66,6° Nord e Sud), dove il Sole non tramonta (o non sorge) mai nell’arco delle 24 ore del solstizio. Oltre i circoli la situazione diventa ancora più particolare, perché il Sole è in grado di non sorgere, o non tramontare affatto, per molti giorni a cavallo dei solstizi. Fino a giungere al Polo Nord/Sud vero e proprio. Qui il Sole non tramonterà per oltre sei mesi, e una volta tramontato non ricomparirà per altri sei mesi, producendo lunghissimi crepuscoli di settimane e settimane tra le due stagioni.

Un movimento tira l’altro

Fin qua è tutto abbastanza intuitivo, ma se siete astronomi volete essere precisi, ed ecco che misurando accuratamente si scopre che l’inclinazione dell’asse terrestre cambia molto lentamente, con un ciclo di circa 41.000 anni, e varia tra i 22,5° e i 24°. Molti climatologi ritengono che questo fenomeno sia tra i co-responsabili dell’alternanza tra i periodi glaciali e interglaciali del nostro pianeta, in quanto va a modificare la quantità di luce solare che raggiunge il bordo delle calotte polari.

Come se non bastasse, anche la direzione non è perfettamente fissa: l’asse terrestre in questi anni punta in direzione di una stella alquanto famosa, chiamata Polare (proprio perché permette di trovare la direzione del Polo Nord geografico), ma questa situazione è in continua evoluzione! Ogni 26.000 anni circa l’asse terrestre descrive un ampio cono, movimento noto come “precessione”. In pratica la Terra non solo è sbilenca, ma si comporta come una trottola ubriaca in procinto di cadere.

Nel corso di 26.000 anni l’asse terrestre descrive un grande cerchio in cielo. In questo periodo storico la stella polare è, appunto, la Polare, ma già 2000 anni fa non vi era una stella chiaramente tale, e fra 2000 anni sarà Errai la stella più a nord di tutte.
Crediti: Infini.to – Lorenzo Colombo

È il motivo per cui abbiamo chiamato il tropico estivo “del Cancro”. 2000 anni fa, quando Claudio Tolomeo codificò le basi dell’astronomia e dell’astrologia (all’epoca una cosa sola), il Sole entrava in quest’area di cielo proprio il giorno del solstizio estivo. Ma la Terra ha fatto il suo lavoro, e nei 20 secoli trascorsi da allora l’asse di rotazione ha compiuto un arco significativo del suo lungo cerchio di precessione. Morale della favola, oggi il Sole si trova addirittura nella costellazione del Toro, e solo domani entrerà in quella dei Gemelli. Per l’ingresso nel Cancro dobbiamo aspettare il 21 luglio! C’è anche da dire che le costellazioni degli astronomi (definite come delle aree di cielo dai confini precisi ma spaziate irregolarmente) non sono quelle degli astrologi (definite come 12 equipartizioni della fascia dello zodiaco), e che quindi ci sono differenze significative nei tempi che il Sole impiega ad attraversare le une o le altre. Tuttavia anche considerando questo fattore non si riescono giustificare gli oltre 30 giorni di ritardo accumulati dal Sole a causa del ciclo di precessione.

Un otto nel cielo

La parola italiana moderna per “Solstizio” deriva dalla locuzione latina sol sistere, cioè “Sole che sta fermo”. Come già descritto, durante il ciclo delle stagioni il Sole cambia la propria altezza in cielo. L’altezza è massima il giorno del solstizio estivo e minima il giorno del solstizio invernale. Come se non bastasse, questo moto verticale non è uniforme, ma è più rapido intorno agli equinozi ed è molto più lento intorno ai solstizi. In pratica le giornate si allungano molto rapidamente a cavallo dell’equinozio di primavera, ma dal 21 maggio al 21 luglio la posizione del Sole in cielo cambia davvero poco, tanto che sembra essersi fermato. Da cui il termine latino. Dopo il 21 giugno l’altezza massima raggiunta dal Sole a mezzogiorno riprende a diminuire, prima lentamente e poi più in fretta, ed ecco che le giornate iniziano ad accorciarsi.

Non dimentichiamoci però del buon Keplero! Anche se l’orbita della Terra è un cerchio quasi perfetto, resta comunque un’ellissi. E questo significa che la sua velocità orbitale cambia, diventando massima nel punto di minima distanza (il perielio, cade in gennaio) e minima alla massima distanza (l’afelio, cade in luglio). La velocità con cui la Terra ruota però non cambia, e il risultato è la comparsa dell’ennesimo, bizzarro, effetto: il Sole anticipa o ritarda di qualche minuto il suo passaggio a mezzogiorno! Questa non è una cosa di cui i nostri orologi tengono conto, perché li abbiamo impostati sulla durata del “giorno solare medio”, pari a esattamente 24 ore. Se usiamo uno di questi orologi per scattare una foto del Sole, ogni giorno, sempre alla stessa ora, si ottiene una figura particolare nota come analemma solare.

La dimensione verticale dell’analemma è generata, come visto, dall’inclinazione dell’asse terrestre. Il Sole è alto in estate, e basso in inverno. La dimensione orizzontale viene invece generata proprio dal ciclico anticipare e ritardare del Sole “vero”, o astronomico, su quello immaginario e immutabile su cui abbiamo tarato i nostri orologi. Ogni pianeta ha il suo, e per esempio quello marziano ricorda più una goccia d’acqua. È anche molto più ampio a causa della maggiore eccentricità orbitale del Pianeta Rosso.

Ma cosa vuol dire davvero estate?

La domanda sorge spontanea quando si considera il fatto che il calore estivo (che definisce la stagione) non compare di colpo il giorno stesso del solstizio. Giorno dopo il quale, come se non bastasse, le giornate prendono ad accorciarsi!

Simmetria vorrebbe che si chiamasse “estate” il periodo di tempo esattamente a cavallo del solstizio, per esempio da 45 giorni prima a 45 giorni dopo, cioè i 90 giorni più lunghi dell’anno. Tuttavia questo avrebbe senso per un pianeta completamente nudo e brullo, perché non considera il ritardo con cui il clima terrestre reagisce ai cambi di energia ricevuta dal Sole. Serve qualche settimana al terreno, alle acque e all’atmosfera per riscaldarsi, e altrettanto per raffreddarsi. Ecco perché ad agosto fa più caldo di aprile, nonostante siano alla stessa distanza temporale dal solstizio d’estate!

Di conseguenza in meteorologia si parla di stagioni climatiche, il cui inizio viene posto al 1° del mese. Una convenzione più utile che si adatta meglio all’andamento delle temperature. Solstizi ed equinozi invece definiscono le stagioni astronomiche, determinate puramente dalla geometria del percorso solare in cielo.

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