Amici della Scienza

La sfera celeste

Il corretto approccio con lo studio dell’astronomia inizia dall’analisi di quella immensa cupola che ci sovrasta chiamata anche cielo, firmamento o più semplicemente volta celeste. Osservarla, comprenderla e saperne esaminare le caratteristiche sono i primi passi da compiere per garantire solide basi alla nostra passione.

Tutto ciò potrebbe apparire come un’impresa riservata esclusivamente ai possessori di costosi strumenti ottici. Ma se questo è vero per gli oggetti del profondo cielo, non lo è altrettanto per iniziare a conoscere i fenomeni ed i corpi celesti più comuni. Basta pensare che gli astronomi dell’antichità riuscirono in questo intento con l’ausilio di un solo strumento: l’occhio.

sfera celeste
Sfera Celeste

Grazie al nostro senso, infatti, è possibile osservare le stelle più luminose e di conseguenza, mediante l’ausilio di mappe celesti cartacee o digitali, individuare le diverse costellazioni visibili a seconda della latitudine, della stagione e dell’ora d’osservazione.

Iniziamo l’esplorazione del cielo imparando alcune regole sull’orientamento. Una volta trovati i riferimenti fondamentali sarà un gioco da ragazzi comprendere la dinamica apparente della volta stellata, tanto che qualcuno esclamerà (come è accaduto al sottoscritto): “Ma come ho fatto a non capirlo prima? E’ ovvio!”.

Talvolta, a mio avviso, alcuni argomenti si affrontano in maniera distaccata perchè ritenuti (erroneamente) al di sopra delle proprie capacità intellettive. Ciò che mi sono promesso di fare in queste pagine (spero con i migliori risultati) è di abbattere questi preconcetti mentali – ove ce ne siano – introducendo le prime nozioni astronomiche in modo chiaro e semplificato.

Orientamento notturno

Trovare il Nord
Orientamento di notte

Per un corretto orientamento è necessario saper riconoscere con la dovuta precisione almeno uno dei 4 punti cardinali, per poi ricavare tutti gli altri in relazione ad esso. E chi, meglio di noi, è in grado di trovare il Nord con l’aiuto delle stelle?

Il primo passo da compiere sarà allora localizzare l’Orsa Maggiore, quindi trovare l’Orsa Minore e la Polare con la tecnica che ormai conosciamo alla perfezione.

Da qui possiamo tracciare la verticale sull’orizzonte sino ad intersecarlo in un punto che indicherà il polo Nord terrestre, alla cui destra a 90° troveremo l’Est e a sinistra, sempre a 90°, l’Ovest. Alle nostre spalle, a 180°, avremo il Sud.

Orientamento diurno

Se invece ci troviamo in pieno giorno possiamo prendere come riferimento l’arco apparente descritto dal Sole. Infatti la nostra stella raggiunge la sua massima altezza sull’orizzonte a mezzogiorno circa del tempo civile (in gergo si dice che transita per il meridiano locale, ma lo vedremo in seguito), proiettando le ombre in direzione del Nord.

Orientamento di giorno
Sopra: orientamento di giorno

Esso inoltre sorge e tramonta rispettivamente ad Est e ad Ovest, tenendo in considerazione che il riferimento esatto ai 2 punti cardinali citati avverrà agli equinozi: 21 Marzo (equinozio di primavera) e 23 settembre (equinozio d’autunno).

Bussola? No grazie!

L’ultima alternativa per orientarsi è usare una bussola, che sconsiglio, almeno agli inizi, per due ragioni. La prima è che orientandoci attraverso il cielo ci appariranno evidenti i suoi movimenti sin da subito, per via del ruolo fondamentale che assume l’area di cielo in corrispondenza della polare.

E poi perchè usare uno strumento e non le risorse naturali che il cielo mette a disposizione? Avere la consapevolezza di condividere una fetta di passato con i nostri avi, attraverso pochi gesti immutati da millenni, è uno degli aspetti affascinanti dell’astronomia. In effetti il cielo è un vero e proprio punto di raccordo tra presente e passato, un elemento su cui il passare inesorabile del tempo sembra non avere poteri.

Siamo ora in grado di osservare il cielo e di orientarci attraverso di esso, condizione fondamentale per capirne in breve tempo i movimenti.

Dinamica del cielo

Il moto apparente del cielo
Il moto apparente del cielo

Gli abitanti dell’emisfero australe sono meno fortunati, in quanto prolungando il medesimo asse nei cieli del sud si arriva in una zona di cielo scarsamente popolata di stelle e con riferimenti pressochè nulli: il Polo Sud Celeste (da ora PSC).

Ne consegue che se la Terra ruota attorno al proprio asse da Ovest verso Est, la volta celeste subirà una rotazione apparente contraria, avente come perno proprio i poli celesti. Tutte le stelle, apparentemente ferme ed immutabili tanto da meritarsi l’appellativo di stelle fisse, vengono trascinate da Est verso Ovest da un lento movimento rotatorio imperniato attorno all’asse celeste.

Tenendo bene a mente le regole di orientamento, non tarderemo a renderci conto che tutto il cielo appare ai nostri occhi come una gigantesca sfera in movimento, il cui perno di rotazione è inclinato a seconda dell’altezza del PNC e la cui visibilità parziale è delimitata dall’orizzonte.

Tutti sappiamo che la Terra ruota attorno al proprio asse, una linea immaginaria che congiunge i due poli terrestri, nord e sud. Ciò che molti ignorano è che il prolungamento di tale linea sulla volta celeste – detto asse celeste – si trova quasi in corrispondenza della stella polare. Ecco la ragione per cui tale stella è così nota.

Questo punto prende il nome di Polo Nord Celeste (da ora PNC), ed è appunto la “traslazione” nel cielo del polo nord terrestre.

Tale astrazione geometrica è così evidente che tutti i riferimenti e le coordinate per individuare un punto nel cielo vengono collocati, per convenzione, su di una sfera immaginaria: la Sfera Celeste.

Sfera Celeste

Da convinzione a convenzione

Poli Celesti
I poli celesti

Il Sole domina il cielo diurno, ma di notte, specialmente se non c’è la Luna, sono le stelle a dare spettacolo. Distribuite casualmente sulla volta celeste, deboli o luminescenti, il loro numero appare enorme.

Per gli antichi osservatori del cielo la Terra si trovava al centro di una enorme sfera tempestata di stelle, in costante rotazione attorno al pianeta. Fu probabilmente questo ad alimentare la convinzione – durata per millenni – che noi fossimo al centro dell’Universo.

In effetti, osservando il firmamento, notiamo da subito che non è possibile percepire le diverse distanze che ci separano dai corpi celesti. Gli astri appaiono tutti alla stessa distanza, come gioielli incastonati su di una enorme cupola, al cui centro ci troviamo noi osservatori.

Se potessimo rendere la Terra trasparente, la volta celeste apparirebbe ai nostri occhi come una enorme sfera di raggio indeterminato, avente come centro il nostro pianeta. Tale astrazione è, per convenzione, il sistema di rappresentazione del cielo usato in astronomia: la Sfera Celeste. Nell’immagine vediamo posizionati gli elementi visti finora, ovvero PNCPSC e asse celeste, descritti nel precedente appuntamento.

Poli celesti e latitudine del luogo di osservazione

La sfera celeste, come si accennava descrivendo la dinamica del cielo, è osservabile solo per metà, essendo l’altra occultata dal piano tangente al luogo d’osservazione: l’orizzonte. Le traiettorie stellari appaiono allora come due semicerchi situati uno sopra l’orizzonte (visibile) e l’altro sotto (non visibile). Per questo motivo assistiamo al sorgere e al tramontare degli astri.

L’unico sito osservativo in cui nessun astro visibile sorge o tramonta è in corrispondenza dei poli terrestri, dove tutto il firmamento ruota descrivendo cerchi paralleli all’orizzonte. Per contro, all’equatore, tutti gli astri sorgono e tramontano descrivendo cerchi perpendicolari all’orizzonte. Avremo quindi il seguente scenario:

Latitudine e luoghi di osservazione

Poli (lat. massima 90°) – le stelle visibili non sorgono e non tramontano mai

Latitudini Intermedie – solo alcune stelle sorgono e tramontano

Equatore ($latitudine$ 0) – tutte le stelle sorgono e tramontano

Come raffigurato nell’immagine sovrastante, l’altezza dei poli celesti è strettamente legata alla latitudine del luogo d’osservazione. Infatti, tanto più ci si allontana o ci si avvicina all’equatore, e dunque tanto più cresce o diminuisce la latitudine, di altrettanto i due poli celesti si alzano o si abbassano rispetto all’orizzonte.

Per questo motivo, a latitudini intermedie, alcune stelle sorgeranno e tramonteranno mentre altre, quelle più prossime al PNC, descriveranno dei cerchi attorno ad esso rimanendo sempre al di sopra dell’orizzonte. A tali stelle, e alle costellazioni di cui fanno parte, viene dato il nome di circumpolari.

CPA e CPO
Sopra: CPA e CPO

Il cerchio descritto dalle stelle circumpolari viene definito cerchio di perpetua apparizione (da ora CPA), il quale dista dal PNC di un angolo pari alla latitudine geografica del posto d’osservazione. Ad esempio, per un osservatore situato a Roma, l’ampiezza del CPA sarà di circa 42°.

Le stelle distanti di un angolo di pari entità dall’altro polo celeste, quello invisibile perchè sotto l’orizzonte, saranno occultate da quest’ultimo e delimitate quindi dal cerchio di perpetua occultazione (da ora CPO). Mai come in questo caso è necessario un aiuto visivo:

Riferimenti della Sfera Celeste

La Sfera Celeste è una rappresentazione geometrica perfetta per individuare guide e punti di riferimento che coincidono con i corrispettivi del nostro pianeta, essendone dei prolungamenti di questo proiettati all’infinito. Avremo quindi a che fare con alcune definizioni familiari, di cui già conosciamo il significato in ambito terrestre.

Sulla sfera celeste vi sono dei riferimenti assoluti, validi quindi per qualunque luogo sulla Terra, e dei riferimenti relativi al luogo di osservazione. Li vediamo uno per uno.

Riferimenti Assoluti

Poli celesti, equatore e asse celeste
Poli, asse ed equatore celeste

asse celeste:
prolungamento dell’asse terrestre attorno al quale, per effetto della rotazione della Terra, ruota apparentemente la sfera celeste.

poli celesti:
punti di intersezione del prolungamento dell’asse terrestre, l’asse celeste, con la sfera celeste.

Equatore Celeste:
proiezione dell’equatore terrestre sulla sfera celeste. L’equatore celeste divide la sfera celeste in due parti uguali: quella che contiene il polo Nord è detta emisfero Nord o boreale, mentre quella che contiene il polo Sud è detta emisfero Sud o australe.

Eclittica
Inclinazione dell’asse ed eclittica

 

Eclittica:
fascia del cielo lungo la quale si muove apparentemente il Sole. Il nome significa cerchio delle eclissi, in quanto affinchè possa verificarsi una di queste, è necessario che la Luna sia in prossimità di quei punti chiamati nodi che sono le intersezioni del suo piano orbitale con l’eclittica.

E’ anche il piano disegnato dall’orbita della Terra, nel suo moto di rivoluzione attorno al Sole, che è inclinato rispetto all’equatore celeste di 23,27 gradi.

Punto d’Ariete:
punto di riferimento assoluto della sfera celeste corrispondente all’equinozio di primavera. E’ il punto in cui l’equatore celeste incontra l’eclittica

Riferimenti relativi all’osservatore

Riferimenti relativi all'osservatore
Riferimenti relativi

zenit:
detto anche Zenith, è l’intersezione della perpendicolare all’orizzonte (la direzione del filo a piombo) passante per l’osservatore con l’emisfero celeste visibile. E’ quindi il punto sopra la testa dell’osservatore

nadir:
punto di intersezione inferiore della verticale del luogo con la sfera celeste. E’ l’opposto dello zenit.

meridiano celeste:
il cerchio massimo descritto sulla sfera celeste passante per lo zenit, il nadir ed i poli celesti. Non è altro che la corrispondente proiezione del meridiano geografico, uno dei circoli massimi delle coordinate terrestri

 

Punto di mezzocielo:
intersezione del meridiano celeste con l’equatore celeste

Orizzonte astronomico:
l’intersezione del piano tangente al luogo di osservazione con la sfera celeste che incrociando a sua volta il meridiano e l’equatore crea rispettivamente i punti cardinali Nord/Sud ed Est/Ovest

Linea Meridiana:
la retta che congiunge i punti cardinali Nord e Sud

Circoli massimi:
cerchi creati dalle intersezioni della sfera celeste con piani passanti per il suo centro. Esempi diretti sono l’equatore celeste e l’asse celeste.

Circoli orari:
circoli (o cerchi) massimi passanti per i poli celesti.

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