I moti della Terra: la rotazione

Il cielo sopra di noi sembra in continuo movimento. Se osserviamo le stelle per qualche ora, le vedremo spostarsi lentamente da est verso ovest, come se l’intera volta celeste ruotasse attorno a noi. Stessa cosa accade se facciamo caso al movimento del Sole durante il giorno. Questo fenomeno è noto come moto diurno della sfera celeste ed è uno degli aspetti più evidenti dell’osservazione astronomica. Da sempre, l’uomo ha cercato di comprenderlo: gli antichi credevano che il cielo girasse intorno alla Terra, mentre oggi sappiamo che è la rotazione del nostro pianeta a generare questa illusione ottica.

L’osservazione del moto apparente del cielo è stata fondamentale per sviluppare i primi strumenti di misura del tempo, dalle meridiane agli orologi stellari, e ha permesso di affinare le nostre conoscenze sul funzionamento del cosmo. Comprendere questo fenomeno significa anche capire meglio il nostro posto nell’Universo: ogni giorno, la Terra compie un’intera rotazione su sé stessa, determinando l’alternanza tra giorno e notte e scandendo il ritmo delle nostre vite. Ma come avviene esattamente questo movimento? E perché le stelle sembrano muoversi tutte insieme, come fissate su una gigantesca sfera invisibile? 

Legati alla rotazione ci sono temi fondamentali per la comprensione dell'astronomia e del movimento del cielo, ma anche per la comprensione di fattori quotidiani che diamo per scontati perché abitudinari. La durata del giorno è un esempio fondamentale di fattore legato alla rotazione e, come vedremo nel prossimo capitolo, non è affatto scontato.

Se potessimo osservare la Terra dallo spazio per un’intera giornata, la vedremmo ruotare su sé stessa come una gigantesca trottola, completando un giro ogni 24 ore. Questo movimento, noto come rotazione terrestre, è responsabile dell’alternanza tra giorno e notte e ha un effetto diretto sulla nostra percezione del cielo, come vedremo. Abbiamo parlato di trottola e chi ha in mente il modo di girare di questi oggetti sa bene che, oltre alla rotazione intorno al proprio asse, l'asse stesso modifica il suo orientamento nel corso del tempo disegnando dei piccoli cerchi: questo vale anche per la Terra ma per adesso tralasciamo il discorso e concentriamoci soltanto sul moto di rotazione intorno all'asse. Non commettiamo comunque un errore grave, poiché il moto di variazione di direzione dell'asse nel cielo (precessione) è davvero molto lento e non interessa un tempo "umano".

Dato come asse quello che unisce i due poli terrestri, lil nostro pianeta ruota su sé stesso in senso antiorario se osservato dal Polo Nord, ovvero da Ovest verso Est. Tuttavia, dalla nostra prospettiva sulla superficie terrestre, sembra accadere esattamente il contrario: il Sole, la Luna, i pianeti e le stelle appaiono tutti in movimento da Est verso Ovest. Questa è un’illusione dovuta al fatto che noi stessi, insieme alla Terra, ci stiamo muovendo in direzione opposta. È lo stesso effetto che sperimentiamo quando viaggiamo in treno e vediamo il paesaggio “scorrere” all’indietro fuori dal finestrino.

La Terra ruota quindi attorno al suo asse, un'asse immaginaria che attraversa il Polo Nord e il Polo Sud e che viene definito asse del mondo. Due forze principali agiscono sulla Terra durante la sua rotazione:

• La forza centrifuga: Questa "forza" appare a causa della rotazione del corpo ed è diretta verso l'esterno, perpendicolare all'asse di rotazione. È più forte all'equatore (dove la velocità di rotazione lineare è maggiore) e più debole ai poli. La forza centrifuga causa un leggero rigonfiamento della Terra all'equatore, noto come oblato. In effetti, come visto, la Terra non è una sfera perfetta, ma un ellissoide schiacciato ai poli e rigonfiato all’equatore.

• La forza gravitazionale: La gravità, invece, tende a mantenere la Terra compatta. La combinazione di queste due forze crea l'ellissoidale forma della Terra.

La Terra, come gli altri corpi del sistema solare ma non solo, ruota a causa della conservazione del momento angolare. Quando il nostro Sistema Solare si è formato, circa 4,5 miliardi di anni fa, le particelle di gas e polvere che costituivano il disco protoplanetario ruotavano attorno al centro di massa. A causa delle interazioni gravitazionali, queste particelle si sono aggregate e hanno formato i pianeti. Poiché il momento angolare deve essere conservato, la Terra ha mantenuto la rotazione che aveva nel disco primordiale.

La rotazione originaria non ha mai cessato, anche se nel corso dei secoli la velocità di rotazione è cambiata leggermente per via di fattori esterni e interni, come vedremo a breve, ma il fenomeno rimane un esempio di conservazione del momento angolare.

La rotazione della Terra è descritta dalla legge della conservazione del momento angolare. In un sistema isolato l’intero momento angolare deve restare costante se non ci sono forze esterne significative che lo modificano. Questo principio implica che qualsiasi riduzione della velocità di rotazione di un corpo comporta un aumento del suo raggio di rotazione (ad esempio, se la Terra rallenta, il suo raggio potrebbe espandersi). Questo principio si può osservare anche in fenomeni astronomici come i ballerini che tengono le braccia adese al corpo per aumentare la velocità delle piroette  mentre le allargano per rallentare.

La velocità di rotazione terrestre dipende dalla posizione sulla Terra, in particolare dalla latitudine. Tuttavia, possiamo calcolare una "velocità angolare" e una "velocità lineare" media per la Terra. Ad esempio, la velocità di rotazione ai poli è zero mentre per altre latitudini la velocità diminuisce in modo proporzionale al coseno della latitudine. Per una località posta a 45° di latitudine, quindi, la velocità lineare è circa la metà di quella equatoriale. All'equatore, la velocità di rotazione terrestre è circa 1670 km/h.

Variazioni nella velocità di rotazione

La rotazione della Terra non è completamente costante, ma subisce delle variazioni nel corso del tempo. Alcune di queste variazioni sono legate a fenomeni naturali, altre a processi fisici o astronomici più complessi:

• La velocità di rotazione della Terra sta lentamente diminuendo nel tempo a causa della forza di marea generata dall'interazione gravitazionale con la Luna. La Luna esercita un effetto di attrazione sulle acque oceaniche, causando le maree. Questo movimento, a sua volta, induce una piccola dissipazione di energia che rallenta la rotazione terrestre, fenomeno noto come accrescimento angolare. 

• Effetto della Luna e della marea: L'interazione tra la Terra e la Luna, oltre a causare le maree, trasferisce lentamente momento angolare dalla rotazione terrestre al movimento orbitale della Luna, facendo sì che la Luna si allontani di circa 3,8 cm all'anno dalla Terra. Questa interazione rallenta quindi la rotazione della Terra a un tasso molto lento.

• Effetti atmosferici e climatici: Altri fattori che influenzano la rotazione terrestre includono fenomeni atmosferici, come il vento o l’oceano, che possono modificare la distribuzione di massa sulla superficie terrestre, alterando la rotazione. Inoltre, eventi come i terremoti o la deriva dei continenti possono influire su come è distribuita la massa del nostro pianeta, con piccoli cambiamenti nel momento angolare.

• Risonanze e accorciamento giornaliero: Fenomeni come il "chirp" geofisico o la risonanza terrestre sono modifiche molto sottili della rotazione, legate principalmente a eventi sismici significativi. Il chirp geofisico è una variazione della velocità di rotazione terrestre su scale temporali brevi (da giorni a decenni) dovuta a processi interni come interazioni tra nucleo e mantello, terremoti, variazioni atmosferiche e mareali. Questo effetto causa piccole oscillazioni nella lunghezza del giorno, sovrapponendosi alla tendenza generale di rallentamento della rotazione terrestre. La risonanza terrestre è un fenomeno fisico che riguarda le vibrazioni naturali della Terra, spesso associato a oscillazioni meccaniche e onde sismiche su scala globale.

Tutti i fenomeni portano gradualmente a una diminuzione della velocità di rotazione della Terra e a un conseguente allungamento della durata del giorno. Questa variazione è molto piccola, con la durata del giorno che aumenta di circa 1,7 millisecondi per secolo. Creando un modello semplificato della variazione della velocità media di rotazione della Terra nel corso del tempo possiamo ottenere un grafico che mostra l'andamento nel corso degli ultimi cinque milioni di anni.

Variazione della velocità angolare della Terra nel corso di 5 milioni di anni. La  velocità angolare della Terra è rappresentata in micro-radianti al secondo (µrad/s), e la diminuzione nel tempo è evidente, sebbene molto graduale.