Le coordinate celesti: altazimutali

Altezza e Azimut sono le grandezze che vengono utilizzate per individuare un corpo celeste a partire da una sfera locale, disegnata intorno all'osservatore

La sfera celeste locale: orizzonte, zenit, nadir e meridiano

Il primo passo per la comprensione del cielo e dei suoi movimenti consiste nel definire la nostra personale "cupola" osservabile

Quando siamo sotto il cielo e spaziamo con lo sguardo da un orizzonte all'altro, ciò che vediamo non è l'universo osservabile ma soltanto la parte di questo che risulta visibile dal nostro luogo di osservazione. Non stiamo parlando di distanze o di oggetti troppo deboli per essere visti, ma del fatto che, fisicamente, non riusciamo a vedere le stelle sotto l'orizzonte e sotto i nostri piedi. Ciò che vediamo è la nostra, personalissima, sfera celeste locale. Intuitivamente, ciò che possiamo vedere da un luogo qualunque dell'emisfero boreale è molto diverso, se non totalmente diverso, da quanto potrebbe vedere nello stesso momento un altro individuo posto nell'emisfero australe. Per ora diciamo, impropriamente, che la sfera celeste "totale" è la somma di tutte le sfere celesti locali ottenibili dal suolo terrestre, in grado di avvolgere l'intera Terra e proiettare al suo interno tutti gli oggetti dell'universo visibile.

La sfera celeste locale è quindi una porzione della sfera celeste totale che riguarda specificamente la posizione e la prospettiva di un determinato osservatore sulla Terra, risultando così definita proprio dal punto di osservazione.

Immaginiamoci, quindi, sotto al cielo in un punto qualsiasi della Terra e iniziamo a definire alcuni punti di questa sfera che ci costruiamo intorno.

Orizzonte locale

L'orizzonte locale è il cerchio immaginario che delimita la metà del cielo visibile per l’osservatore. Su una superficie completamente piatta e libera da ostacoli rappresenta il confine tra il cielo e la terra. Ne risultano due parti distinte:

• porzione visibile: sopra l'orizzonte
• porzione invisibile: sotto l'orizzonte

In genere l'orizzonte non è mai totalmente libero ma "rialzato" da colline, montagne, palazzi, vegetazione. In genere, per l'osservazione si sceglie un luogo con gli "orizzonti liberi".

Parliamo di "orizzonti" poiché generalmente si tende a definirne uno per ciascun punto cardinale. Abbiamo così, ruotando in senso orario, l'orizzonte Nord, l'orizzonte Est, l'orizzonte Sud e l'orizzonte Ovest.

Zenit 

Lo zenit è il punto della sfera celeste situato direttamente sopra l’osservatore, a 90° sopra l’orizzonte. Rappresenta quindi il punto più alto del cielo locale, e ogni stella o oggetto che passa vicino allo zenit sarà a una distanza angolare minima rispetto all’osservatore. Sarà anche nel punto in cui lo strato atmosferico è più sottile rispetto a qualsiasi altro punto tra orizzonte e zenit, quindi gli oggetti che transitano allo zenit sono quelli osservabili con maggior nitidezza.

Nadir

Opposto allo zenit, è il punto situato direttamente sotto i piedi dell'osservatore, in direzione della Terra.

Meridiano Locale

Finora sembra tutto facile e immediato, ma ricordiamo sempre che tutto questo serve a definire un sistema di coordinate quindi avremo bisogno di un vertice, di una direzione e di almeno due assi: tutto questo ci servirà per definire la posizione di un qualsiasi corpo celeste sulla sfera locale. Per fare ciò è necessario definire un meridiano locale.

Il meridiano locale è una linea immaginaria che va da nord a sud passando per lo zenit e attraversa quindi la sfera celeste locale. "Operativamente", è uno strumento utile per stabilire il momento in cui gli oggetti celesti raggiungono la loro massima altezza (o culminazione) nel cielo rispetto all’osservatore, indicando quindi il miglior periodo di osservazione per ciascun corpo celeste (non tutti infatti - anzi, pochi - transitano allo zenit e quindi occorre "accontentarsi" del loro punto di massima altezza).

Per adesso ci limitiamo a dire che, utilizzando una bussola, è possibile individuare l'orizzonte Nord e che, dando le spalle a questo, è possibile trovare il Sud. La linea immaginaria passante per questi due punti e lo zenit è il meridiano locale. 

La sfera celeste locale, con indicazione di Zenit, Nadir e Meridiano

 

Abbiamo, allora, due riferimenti essenziali: il primo è "naturale" ed è l'orizzonte intorno a noi. Il secondo, anch'esso naturale ma meno intuitivo, è il meridiano locale con indicazione dei punti Nord e Sud. 

Da questo partiamo a costruire il nostro sistema di coordinate celesti locali.

Il sistema di coordinate celesti locali

Una volta definito il punto di origine, non resta che fissare le regole per trovare un punto qualsiasi sulla sfera locale

Abbiamo quindi battezzato i punto essenziali della sfera celeste locale: orizzonte e meridiano.

Coordinate "verticali": altezza

Si tratta della misura più intuitiva perché indica quanto un corpo celeste si distanzi dall'orizzonte. Si parla proprio di altezza. 

L'altezza è l'angolo verticale tra l'oggetto e l'orizzonte dell'osservatore, misurato lungo il cerchio verticale che passa per l'oggetto.

I valori che possono essere assunti dall'altezza variano da 0° a +90° e da 0° a -90° e, trattandosi di angoli, si misurano in gradi.  

• Altezza 0°:  i corpi celesti che hanno altezza 0° si trovano precisamente lungo la linea dell'orizzonte poiché l'angolo che li sepera dall'origine (appunto l'orizzonte) non è nullo;
• Altezza 90°: i corpi celesti che si trovano ad altezza +90° si trovano precisamente nel punto di zenit;
• Altezza -90°: i corpi celesti che si trovano ad altezza -90° si trovano precisamente nel punto di nadir.

Ad altezze intermedie tra questi casi estremi, un valore positivo indica che il corpo celeste si trova sopra l'orizzonte e quindi risulta osservabile. Un valore negativo indica che l'oggetto si trova sotto l'orizzonte ed è quindi invisibile dall'osservatore.

Coordinate "orizzontali": azimut

L'azimut è l'angolo orizzontale, misurato dal nord (0°) fino alla proiezione dell'oggetto celeste sull'orizzonte. Procedendo in senso orario, l'azimut varia da 0° a 360°. 

• Azimut 0°: il corpo celeste si trova precisamente a nord;
• Azimut 90°: il corpo celeste si trova esattamente a est;
• Azimut 180°: il corpo celeste è a sud;
• Azimut 270°: il corpo celeste si trova a ovest.

In realtà, originariamente l'azimut veniva misurato a partire da Sud e non da Nord ma oggi la convenzione astronomica tende a indicare come origine il nord e a procedere in senso orario, come le coordinate geografiche. Alcune culture o tradizioni di navigazione fanno ancora partire l'azimut dal punto sud e procedono in senso antiorario, il che significa che azimut 0° indica il sud, 180° indica il nord mentre est e ovest restano uguali.

Il sistema alt-azimutale

L'insieme di altezza e azimut indica, quindi, ciò che viene definito sistema di coordinate alt-azimutale. Attraverso questo sistema è possibile individuare univocamente qualsiasi corpo celeste sulla sfera celeste locale semplicemente indicando quando si stacca dall'orizzonte (altezza) e quanto dista, angolarmente, dal nord (azimut).

Nell'immagine in alto, la sfera celeste locale costruita intorno all'osservatore evidenzia l'orizzonte locale e il meridiano a unire i punti Nord-Zenit-Sud. Sia data una stella qualsiasi sulla sfera celeste di coordinate altazimutali Alt = 30° e Azimut = 75° (valori approssimati in base alla prospettiva del disegno). L'altezza è l'angolo che la retta che unisce il centro della sfera crea con l'orizzonte per andare a "puntare" la stella (retta obliqua verde) mentre l'azimut indica i gradi a partire dal Nord (curva verde) che vengono percorsi fino ad andare a incrociare la proiezione della stella sull'orizzonte (linea grigia verticale tratteggiata).

Si è detto che lo zenit è il punto posto precisamente sopra la testa dell'osservatore ma in realtà lo zenit è più precisamente definito come l'estensione del vettore gravitazionale locale proiettato verso l'esterno della sfera celeste. Si parla, in tal caso, di zenit astronomico e risente sia dello schiacciamento ai poli della Terra sia della presenza o meno di masse (ad esempio una montagna). In genere lo zenit astronomico è molto prossimo allo zenit "semplificato" ma non è detto che questo sia sempre vero. Di questo risente anche l'altezza, visto che l'orizzonte è definito come il cerchio che passa attraverso l'oggetto e lo zenit. 

"Pregi e difetti" delle coordinate altazimutali

A fronte di una maggiore intuibilità, le coordinate altazimutali hanno problemi di trasferibilità e dinamicità

Quanto descritto finora è un sistema che ha indubbi vantaggi ma anche svantaggi: tutto dipende dall'ambito di cosa si vuol fare. 

Possiamo sintetizzare nel seguente modo, lasciandoci del tempo successivamente per spiegare un po' in dettaglio: il sistema altazimutale è utile e intuitivo per le osservazioni locali a breve termine e per telescopi con montature semplici, ma diventa meno pratico per studi astronomici a lungo termine o per registrare o trasmettere le posizioni di oggetti celesti nel tempo e nello spazio.

Vantaggi

• Semplicità: si tratta di coordinate locali e dipendenti dal tempo di osservazione, basate sul proprio orizzonte di osservazione. Se leggiamo che una stella ha una altezza di 45° è intuitivo capire che è visibile e che per cercarla devo guardare a una altezza media nel cielo. Se leggo che ha un azimut di 90° è altrettanto intuitivo girarmi verso Est. Se devo effettuare quindi una osservazione diretta, questi due numeri bastano per farmi capire tutto, senza bisogno di calcoli complicati.
• Adeguato a montature altazimultali: se si è in possesso di una montatura altazimutale, inserendo la posizione del luogo di osservazione (latitudine e longitudine), l'orario e i due valori altazimutali non ho problemi a trovare l'oggetto;
• Riferimento in tempo reale: le coordinate sono valide per il luogo di osservazione e per il tempo di osservazione, fornendo una informazione in real time della posizione dell'oggetto. Anche sul nostro portale, nella sezione SkyTour, forniamo per ciascun oggetto delle coordinate altazimutali che si aggiornano ogni pochi secondi proprio per fornire l'informazione utile.

Svantaggi

Cambiando il contesto, ciò che finora è stato visto come vantaggio può diventare uno svantaggio. 

• Variabilità nel tempo: le coordinate altazimutali cambiano ogni secondo a causa della rotazione terrestre, quindi - ad esempio - il valore che abbiamo letto 5 minuti fa non è più valido per impostare la nostra montatura altazimutale;
• Variabilità nello spazio: se devo comunicare a una seconda persona le coordinate dell'oggetto che sto osservando, non posso comunicare le coordinate altazimutali poiché queste valgono soltanto per il luogo di osservazione personale. La seconda persona, in un luogo diverso dal mio, avrà delle coordinate locali differenti;
• Poca adattabilità nei telescopi professionali: anche se i telescopi moderni recepiscono le coordinate altazimutali, è anche vero che le montature più avanzate funzionano molto spesso con altri tipi di coordinate più universali come quelle equatoriali. 
• Mancata conoscenza delle condizioni dell'orizzonte: come svantaggio estremamente soggettivo, si può dire che avere un oggetto a 5 gradi di altezza non ne garantisce l'osservabilità visto che l'orizzonte potrebbe essere comunque limitato da palazzi o struttura naturali come montagne o alberi.

In poche parole, le coordinate altazimutali vanno benissimo per le osservazioni personali a occhio nudo, con binocolo o con telescopi con montatura altazimutale ma non sono trasmissibili nel tempo e nello spazio.

Per questi fattori, sempre più vengono preferite le coordinate equatoriali, che vedremo in seguito.