09. Spostamenti del Sole nel cielo

Osservazione sistematica della posizione del Sole sull’orizzonte e della sua variazione durante il dì e nel corso dell’anno. 

Attenzione: il Sole non va mai guardato direttamente, ma solo attraverso occhiali mylar (i più economici) o altro (vedi qui)

Allestire il laboratorio: il giardino, o il terrazzo della scuola, in cui montare un reticolo artigianale, di forma cilindrica, costruito con rete di ferro, del diametro di circa un metro e mezzo. Il punto di osservazione (la "mira") è posto al centro del cilindro.

(tratto dal percorso  Eppur si muove, v. riferimenti)

Periodicamente (ogni settimana o due) i ragazzi registrano la posizione del sole fissando un nodo di lana sulla rete ogni ora durante l’intera giornata scolastica. La sequenza dei nodi visualizza nello spazio il percorso osservato del Sole. Contemporaneamente i ragazzi segnano al suolo la posizione dell’ombra della mira, usando il bastone della mira come gnomone.

Per ogni posizione registrata del Sole si  misura l’azimut e l’altezza con un teodolite (v. strumenti).

La scelta della posizione in cui fissare lo zero sul piano orizzontale per misurare l’azimut comporta la necessità di individuare il meridiano locale e di orientare l’osservatorio. 

I punti cardinali sono in genere noti dalle scuole elementari, ma è difficile che i ragazzi li sappiano utilizzare in una situazione concreta come questa.

La rilevazione sistematica dei dati permette di visualizzare e confrontare il percorso giornaliero del Sole sulla superficie cilindrica dell’osservatorio in momenti diversi dell’anno e di analizzare la sua variazione giornaliera ed annuale. 

In particolare, i ragazzi possono osservare che: 

• il punto in cui Il Sole raggiunge il culmine del percorso giornaliero (mezzogiorno solare)  si trova sempre sul meridiano celeste locale ma (nei vari periodi dell'anno) ad altezze diverse diverse rispetto al punto cardinale Sud; 

• il percorso del Sole è simmetrico rispetto al meridiano celeste locale e la sua ampiezza aumenta o diminuisce all’aumentare o al diminuire dell’altezza del Sole al momento del culmine. 

NB: Se potessimo registrare "in continuo" il percorso del Sole nel cielo dal suo sorgere al suo tramonto nei vari periodi dell'anno, vedremmo quello che appare nella foto seguente ("solarigrafo" raccolto all'Osservatorio Astrofisico di Arcetri)

In alternativa alla rete, è possibile utilizzare un foglio di plastica trasparente (quelli dei fiorai, per intendersi) ad una grande vetrata, e segnare con un pennarello le posizioni registrate del sole.

Dalla registrazione della posizione del Sole, si passa alla misura di azimut ed altezza ed alla rappresentazione grafica su un piano cartesiano. In questo modo abbiamo ottenuto i diagrammi solari rispetto al punto di osservazione in diversi momenti dell’anno. 

Il percorso osservato del Sole è legato alle ore di luce e all’alternanza notte/dì. Si possono introdurre anche le zone del sorgere e del tramontare e la zona del mezzogiorno solare. Si può provare infine a fare previsioni: fra un giorno, fra una settimana, fra tre mesi il percorso del Sole sarà lo stesso o cambierà?

La zona del sorgere del sole, fotografata lungo tutto il corso dell'anno:

Dove sorge e dove tramonta il sole

Una risposta sembra facile, ma non lo è

di Livio Trevisan 

Naturalmente, 1991, 4 (1), 13.

"L’Est è il punto cardinale dove sorge il sole? Accade spesso, anzi troppo spesso, che a questa domanda l’interrogato apra le braccia e, piegando leggermente la testa, risponda: Ma è ovvio! Invece no: e, per insinuare un’ombra di dubbio, si può aggiungere: per tutti i giorni dell’anno? A questa seconda domanda si rivela il carattere dell’interrogato. Se ha una grande sicurezza delle sue opinioni ti fissa negli occhi e dice: sì, certo. Chi invece si sente insicuro, fa il viso serio e fissa lo sguardo su un punto indeterminato del pavimento oppure in alto, fuori della finestra. Forse cerca di ricordare che cosa gli hanno insegnato a scuola oppure che cosa ha potuto osservare di persona. "Dalla finestra della mia camera da letto l’orizzonte non lo vedo e poi mi alzo quasi sempre più tardi dell’alba. Ci sarebbe da pensare anche al tramonto, ma anche lì ci sono le case davanti e, quando mi trovo in aperta campagna, non ho in tasca la bussola per controllare. Perché, come stanno le cose?" Ecco: non è facile. Cominciamo col pensare alla "sfera celeste". Esiste veramente questa sfera? O ci sembra di vederla perché è come se tenesse attaccate stelle, pianeti e satelliti, dato che ci sembrano tutti ugualmente lontanissimi? Sì, è proprio così, ma il concetto immaginario di sfera, con le dovute cautele, può esserci utile.

Ognuno di noi si sente al centro di questa sfera, senza per questo meritare di essere accusato di egocentrismo. Vediamo soltanto quella metà che sta sopra al cerchio dell’orizzonte, cioè a quel cerchio che possiamo dividere in 360 e dove possiamo individuare i quattro punti cardinali.

Guardiamo ora la figura 1 e immaginiamo di essere al centro del disco grigio; l’orlo del disco è il nostro orizzonte. Questa figura si riferisce al caso di una persona che si trovi all’equatore: nei giorni degli equinozi il moto apparente del sole si svolge lungo la linea EQ, nel senso indicato dalle frecce. Il sole sorge a E e tramonta a W. I semicerchi punteggiati esprimono i percorsi notturni, sotto l’orizzonte. Nel giorno del solstizio estivo (linea SE) il sole sorge 23° 27' da E verso N, nel solstizio invernale (linea SI ) altrettanti gradi da E verso S.

La fig. 2 mostra la situazione per un osservatore che si trovi sul circolo polare artico. Nei giorni degli equinozi il sole descrive nel cielo la linea EQ, nei giorni dei solstizi le linee SE e SI. Nel giorno del solstizio estivo (SE) il sole rimane 24 ore sopra l’orizzonte: alla mezzanotte il disco solare appare per metà sotto l’orizzonte, esattamente al Nord. La situazione nel solstizio invernale è indicata dal cerchio punteggiato SI. 

La fig. 3 vale per un osservatore situato alla latitudine di 45°.

Anche qui il sole sorge esattamente a E nei giorni degli equinozi, e tramonta a W. Nel semestre invernale albe e tramonti avvengono a sud della linea E W, e nel semestre estivo a N di quella linea. Nei due solstizi albe e tramonti avvengono alla distanza di quanti gradi da E c da W? Prendiamo l’esempio di Pisa, che si trova a poco meno di 44° di latitudine: il sole sorge a E 31° 30' N e tramonta a W 31° 30' N nel solstizio estivo. Naturalmente altrettanti gradi verso sud nel solstizio d’inverno. Questo significa che, nel corso dell’anno, il sole sorge e tramonta in un arco dell’orizzonte di 63°. Si può aggiungere che a questa latitudine nel giorno del solstizio estivo il sole rimane sopra l’orizzonte per circa 6 ore e 30 minuti in più che nel solstizio invernale. Se poi vi interessa conoscere come appaiono questi eventi variabili con ciclo annuo ad osservatori situati a latitudini diverse da quelle qui citate come esempi, la cosa è molto facile. Se non potete consultare il libro delle Effemeridi, cercate un amico esperto in trigonometria sferica e ponetegli i vostri quesiti. Quando poi l’amico vi riferirà i risultati dei suoi calcoli, se il sole in quel momento è più vicino all’alba che al tramonto offritegli un aperitivo con salatini; nel caso contrario un liquore con paste dolci."

Conclusioni dei ragazzi: 

• in giornate diverse il Sole non è sorto sempre nello stesso punto ma è apparso in zone diverse del cielo;

• la sua radiazione arriva sulla Terra con diversa inclinazione

• sorge in una zona che abbiamo chiamato Oriente 

• il Sole è sorto esattamente ad est il 21 marzo (equinozio di primavera)

Previsioni:

• in quale zona sorgerà il Sole a maggio? e a giugno?

• dove sorgerà il giorno dell'equinozio di autunno?

Usare il Sole per misurare il tempo.

Le meridiane

Cercare e fotografare le meridiane a Pisa:

• Facciata dell'Hotel Victoria, Lungarno

• Orologio solare nel chiostro della chiesa di San Frediano

• Orologio solare nel chiostro della chiesa del Carmine

• Palazzo Reale, Lungarno Pacinotti

• Cortile interno del Palazzo dell'Arcivescovado

• Certosa di Calci (Chiostro del Capitolo, Chiostro del Priore, Chiostro grande, ....)

• Chiostro della chiesa di San Nicola

In questa sequenza di fotografie, riprese in Norvegia in diversi momenti della giornata, si può ammirare il sole di mezzanotte. Immagine tratta da http://www.ressources-ecole.net/.