Ecco come si muove il Sole nel cielo durante l’anno

A qualsiasi ora del giorno, si potrebbe teoricamente impostare una fotocamera per scattare una foto del paesaggio che comprenda la posizione apparente del Sole nel cielo. Se tornassi il giorno dopo alla stessa ora, 24 ore dopo, scopriresti che il Sole ha cambiato leggermente la sua posizione. Se lo faceste ogni giorno per un anno intero, scoprireste due cose importanti:

1. Il Sole sarebbe finalmente tornato al suo punto di partenza, come la Terra è tornata allo stesso punto della sua orbita di un anno prima.
2. La forma che avete tracciato assomiglierebbe a una figura a 8 con un anello più grande dell’altro: una forma nota come il nostro analemma.

Il fatto che la Terra orbiti intorno al Sole una volta all’anno spiega la prima parte. Ma il moto del Sole nella sua particolare forma analemma è dovuto a una combinazione di ragioni profonde. Scopriamo perché.

Il primo grande contributo al moto apparente del Sole è il fatto che la Terra orbita intorno al Sole mentre è inclinata sul suo asse. L’inclinazione assiale della Terra di circa 23,5° assicura che gli osservatori in luoghi diversi vedranno il Sole raggiungere posizioni più alte o più basse sopra l’orizzonte durante l’anno. Quando il tuo emisfero è inclinato verso il Sole, la posizione massima del Sole si alzerà più vicino allo zenit, mentre quando il tuo emisfero è inclinato lontano, la posizione massima del Sole si allontanerà da esso.

Quando la tua metà del mondo è inclinata verso la nostra stella madre, il percorso del Sole attraverso il cielo appare più lungo, sorge più in alto e ci dà più ore di luce del giorno rispetto alla media. L’inclinazione assiale è la causa delle stagioni sulla Terra, e spiega perché c’è una tale differenza nella lunghezza e nel carattere di un giorno al solstizio d’estate rispetto al solstizio d’inverno.

In generale, in tutta la Terra, il Sole sembra sorgere nella parte orientale del cielo, alzarsi in alto verso la direzione equatoriale, e poi abbassarsi e tramontare a ovest. Se vivi:

• a sud di 23,5° di latitudine S, il solstizio di giugno segna il percorso più breve e più basso del Sole nel cielo, mentre il solstizio di dicembre segna il percorso più lungo e più alto.
• a nord di 23,5° di latitudine N, il solstizio di dicembre segna il percorso più breve e più basso del Sole nel cielo, mentre il solstizio di giugno segna il percorso più lungo e più alto.
• tra i due tropici (tra 23.5° S e 23,5° N), il Sole passerà direttamente sopra la testa in due giorni equidistanti da un solstizio.

Da qualsiasi luogo, se si dovesse tracciare la posizione del Sole durante tutto l’anno – come attraverso una macchina fotografica stenopeica – questo è ciò che si vedrebbe.

Ma il Sole non sembra semplicemente salire e scendere nel cielo in una forma simmetrica. Gli orari del tramonto e dell’alba variano durante l’anno. Il Sole raggiunge il suo punto più alto in una varietà di momenti al cambiare delle stagioni, non solo a mezzogiorno ogni giorno.

La ragione di questo è in gran parte dovuta al secondo principale contributore al movimento apparente del Sole durante l’anno: L’orbita della Terra intorno al Sole è ellittica, non circolare.

Orbitare in un’ellisse non significa solo che la Terra è più vicina o più lontana dal Sole in certi punti della sua orbita. Significa anche – per la seconda legge di Keplero – che quando la Terra è vicina al Sole (perielio), possiede una velocità orbitale maggiore, e quando la Terra è lontana dal Sole (afelio), possiede una velocità orbitale minore.

Da solo, questo non farebbe molta differenza, ma ora dobbiamo aggiungere un altro fattore: la Terra non ruota una volta sul suo asse ogni 24 ore. Invece, la Terra compie una rotazione completa di 360° in sole 23 ore e 56 minuti; un giorno dura 24 ore perché ci vogliono quei 4 minuti in più per “recuperare” la distanza che la Terra ha percorso nella sua orbita intorno al Sole.

In un giorno medio, quando la Terra si muove alla sua velocità media intorno al Sole, 24 ore sono giuste. Ma quando la Terra si muove più lentamente (vicino all’afelio), 24 ore sono troppo lunghe perché il Sole ritorni nella sua stessa posizione, e quindi il Sole sembra spostarsi più lentamente della media. Allo stesso modo, quando la Terra si muove più rapidamente (vicino al perielio), 24 ore non sono abbastanza lunghe perché il Sole torni al punto di partenza, e quindi si sposta più rapidamente della media.

Se avessimo solo l’inclinazione assiale da affrontare, e la nostra orbita fosse un cerchio perfetto, il percorso che il Sole traccia nel cielo sarebbe una figura-8 veramente perfetta: simmetrica sia sull’asse orizzontale che su quello verticale.

Se vivessimo su un pianeta spinto che avesse un’orbita ellittica, il percorso del Sole nel cielo sarebbe semplicemente un’ellisse: dove l’eccentricità sarebbe l’unico fattore che contribuisce al movimento del Sole. Questo è ciò che accade all’incirca su Giove e Venere, dove le inclinazioni assiali sono trascurabili.

Ma qui sulla Terra, abbiamo sia un’orbita ellittica che una significativa inclinazione assiale, e quindi entrambi gli effetti sono significativi. In particolare, quando li combiniamo, possiamo immediatamente vedere perché il nostro analemma assomiglia a un “8” che è pizzicato su un lato stretto.

Qui sulla Terra, il perielio avviene il 3 gennaio: appena 2 settimane dopo il solstizio di dicembre. Poiché il nostro pianeta è in movimento con la massima velocità vicino al solstizio di dicembre, questo rende il lato “inferiore” dell’analemma (dall’emisfero nord) molto più grande del lato “superiore”, che coincide con l’afelio all’inizio di luglio e il solstizio di giugno.

Tutto sommato, possiamo combinare questi effetti per fare un’equazione per dove il Sole sarà situato in qualsiasi momento particolare, visto da qualsiasi luogo sulla Terra. Chiamiamo questa quantità derivata l’equazione del tempo.

Tutto sommato, sono solo l’inclinazione assiale e l’ellitticità a determinare la forma del percorso del Sole visto alla stessa ora, ogni giorno, dalla Terra. L’analemma della Terra è fisso in questa particolare forma.

Ma ci sono altri due fattori in gioco nel determinare l’esatto orientamento dell’analemma. Uno è la tua posizione sulla Terra: gli osservatori dell’emisfero settentrionale vedranno il piccolo anello dell’analemma in alto nel cielo e il grande anello in basso nel cielo, mentre gli osservatori dell’emisfero meridionale vedranno il contrario.

E l’altra è a che ora del giorno fate le vostre fotografie. Se scattate la vostra fotografia quotidiana:

• a mezzogiorno, quando il Sole è al suo massimo, l’analemma apparirà perfettamente verticale.
• prima di mezzogiorno, prima che il Sole raggiunga il suo massimo, l’analemma apparirà ruotato in senso antiorario dalla posizione di mezzogiorno.
• dopo mezzogiorno, dopo che il Sole ha raggiunto il suo massimo, l’analemma apparirà ruotato in senso orario dalla posizione di mezzogiorno.

Si può dire, esaminando le 52 immagini combinate di César Cantú di tutto l’anno cucite insieme, che ha fotografato il Sole nel tardo pomeriggio dalla sua latitudine in Messico.

È facile vedere che il punto più alto corrisponde al solstizio d’estate, mentre il punto più basso corrisponde al solstizio d’inverno, ma non c’è uno speciale significato astronomico al “punto di incrocio” nell’analemma del Sole visto dalla Terra. Avvenendo approssimativamente il 14 aprile e il 30 agosto, queste date sono determinate solo dal modo in cui le nostre stagioni, determinate dall’inclinazione assiale, si allineano con l’orbita del nostro pianeta intorno al Sole.

Se il nostro perielio e afelio fossero allineati con gli equinozi, piuttosto che con i solstizi, avremmo un analemma a forma di lacrima, piuttosto che una figura a 8, che è come il Sole appare da Marte! L’analemma è la bella forma naturale tracciata dal Sole nel corso del tempo, che crea una figura-8 come dettano sia la nostra orbita che l’inclinazione assiale. Goditi il movimento del Sole nei nostri cieli, poiché la sua unica piroetta cosmica è dovuta al movimento unico del nostro pianeta nello spazio!