Il giorno
Il giorno è il tempo che la Terra impiega a compiere il moto di rotazione in senso antiorario attorno al proprio asse, che è inclinato di 23° 27' rispetto alla perpendicolare al piano di rivoluzione.
È diviso in due parti: il dì e la notte, che hanno uguale durata in tutti i punti della Terra solo agli equinozi. Da precisare che gli equinozi non sono un'intera giornata, ma un istante, quello in cui l'asse terrestre è perpendicolare ai raggi solari.
Dì e notte
L'alternarsi del dì e della notte è la conseguenza della rotazione terrestre. I raggi solari, che si possono considerare paralleli vista la grande distanza del Sole e la sua grande dimensione rispetto alla Terra, illuminano solo la metà della superficie rivolta verso il Sole, mentre dalla parte opposta è notte.
Si chiama circolo d'illuminazione il circolo massimo che separa il dì dalla notte, il quale si sposta facendo sì che il Sole sorga in punti diversi della Terra nelle 24 ore di rotazione.
Se l'asse fosse perpendicolare al piano dell'eclittica, i raggi solari avrebbero sempre lo stesso angolo di incidenza, variabile solo con la latitudine. Di conseguenza il dì e la notte sarebbero sempre di 12 ore. Essendo invece inclinato e mantenendosi sempre parallelo a se stesso, durante il periodo di rivoluzione cambia anche la durata dell'illuminazione per lo stesso luogo. Ci ritorneremo in un'altra sezione.
La rifrazione dell'atmosfera consente di vedere il Sole un po' prima che tocchi l'orizzonte vero (½°), e un po' dopo che lo ha lasciato (½°), perciò occorre aggiungere circa 3m in più di illuminazione all'alba e al tramonto.
A causa della rifrazione atmosferica, un osservatore
O
vede il Sole
A
in
A'
Crepuscolo
Il circolo d'illuminazione non divide in modo netto la zona illuminata da quella buia, ma si ha una fascia progressivamente sfumata.
Il passaggio dalla notte al dì non avviene perciò istantaneamente - come invece si verifica sulla Luna -, ma in modo graduale per la presenza dell'atmosfera che diffonde indirettamente e riflette la luce per la presenza di particelle di varia natura (acqua, ghiaccio, polveri, sale, ecc.).
La fase che precede il sorgere del Sole e segue il tramonto è chiamata crepuscolo e può essere suddivisa nei seguenti momenti:
- Alba, o crepuscolo mattutino, è il periodo intermedio tra la notte e il dì, quando il Sole si trova ancora sotto l'orizzonte. Inizia con il primo chiarore del Sole, culmina con l'Aurora e termina con la Levata del Sole. L'alba è ulteriormente suddivisa in:
- Alba astronomica, inizia quando il Sole si trova 18° sotto l'orizzonte ed è il periodo in cui si può riconoscere un debole chiarore.
- Alba nautica, inizia quando il Sole è 12° sotto l'orizzonte; sono visibili le stelle utili alla navigazione e sono appena distinguibili i contorni degli oggetti al suolo.
- Alba civile, che inizia quando il Sole giunge a 6° sotto l'orizzonte ed è possibile svolgere attività senza l'ausilio di luce artificiale.
- Aurora è la luce che appare a oriente poco prima del sorgere del Sole.
Il Crepuscolo serale è la fase intermedia tra il dì e la notte, in cui il Sole si trova sotto l'orizzonte. Inizia con il Tramonto, quando il Sole scompare e poi si susseguono le tre fasi di Crepuscolo civile, nautico e astronomico, analogamente all'alba.
(Crediti:
Kirk39
- CC BY-SA 4.0 - modificato - Clicca sull'immagine per vedere il dettaglio dell'alba)
La durata del crepuscolo dipende, oltre che dallo spessore dell'atmosfera da due fattori: latitudine, stagione.
Per quanto riguarda la latitudine, all'equatore negli equinozi il piano della traiettoria solare è verticale, perciò cala/sale di circa 15° l'ora; salendo di latitudine, il piano è sempre più inclinato e quindi il Sole cala/sale più lentamente; oltre i circoli polari arriva ad essere tangente e il crepuscolo può durare anche alcuni mesi.
Anche le stagioni ne modificano la durata: la durata minima è agli equinozi e quella massima ai solstizi, soprattutto al solstizio d'estate.
Il giorno
Il giorno sidereo, o siderale, è il periodo di una rotazione completa di 360° della Terra attorno al proprio asse, in cui un osservatore fisso sulla superficie terrestre vede due culminazioni consecutive del punto equinoziale dell'Ariete nella stessa direzione topografica. Con buona approssimazione corrisponde a due passaggi consecutivi della medesima stella sul meridiano locale.
La sua durata è di 23h 56m 4s, equivalente a 86.164,1 secondi.
Il giorno solare vero è il periodo di rotazione tra due successive culminazioni del Sole vero* sul meridiano locale nel suo moto apparente in senso orario e dura circa 24h ed è quello indicato dalla meridiana.
Il mezzogiorno vero in un luogo è quindi l'istante in cui il Sole vero culmina sul meridiano locale e precisamente quando sono le ore 12h 0m 0s.
* Sole vero è il punto che rappresenta il centro del Sole ed è quello che si muove apparentemente sull'eclittica con velocità definita dalle leggi di Keplero.
Poiché la Terra compie contemporaneamente il moto di rivoluzione, cambia continuamente posizione e per rivedere il Sole sullo stesso meridiano, dopo una rotazione di 360° deve percorrere un altro tratto di 1°, corrispondente a 3m 56s. Il giorno solare è perciò più lungo del giorno sidereo.
In un anno, infatti, la Terra compie 366 rotazioni, cioè 366.2564 giorni siderali, ma il Sole sorge e tramonta 365 volte (365 giorni solari medi). La rotazione aggiuntiva comporta che il giorno siderale sia più corto del giorno solare di:
1/366,2564 x 24h x 60m = 3m 56s.
Nel compiere l'orbita ellittica di rivoluzione, la Terra accelera in perielio (inverno) e rallenta in afelio (estate), perciò la durata del giorno solare vero non è costante: è più lungo in inverno (circa 8s intorno al 3 Gennaio) e più corto in estate (circa 7s intorno al 3 Luglio), complessivamente 15s. Tale differenza non è da intendersi naturalmente come durata del periodo di illuminazione.
Inoltre, il Sole ha un moto apparente sull'eclittica e non sull'equatore celeste e quindi si ha un'ulteriore variazione della velocità apparente che porta complessivamente a una differenza tra il giorno più lungo e quello più corto di 40s. Se poi si considera che i due effetti non sono in fase, la loro combinazione fa sì che il giorno più lungo si ha a metà Dicembre (24h 00m 30s) e il più corto a metà Settembre (23h 59m 39s), con una differenza di 52s. La somma di questi effetti alla fine comporta che i giorni più lunghi e più corti non siano esattamente agli apsidi, come ci si aspetterebbe.
La differenza giornaliera si accumula, come vedremo nel paragrafo successivo, fino ad avere un ritardo massimo di 14m a metà febbraio e un anticipo di 16m ai primi di novembre.
A causa di queste variazioni, non è possibile impiegare il Sole vero per scopi civili perciò, per eliminare le irregolarità, si ricorre a due punti geometrici astratti: il Sole fittizio e il Sole medio.
Il Sole fittizio si muove sull'eclittica, come il Sole vero, ma con velocità costante, perciò si ritrova insieme al Sole vero solo in perigeo e apogeo (ricordiamo che apparentemente è il Sole che si muove attorno alla Terra) a causa dell'inclinazione del piano dell'eclittica rispetto al piano equatoriale. Allontanandosi dal perigeo il Sole vero è più veloce e anticipa il Sole fittizio, ma quando si avvicina all'apogeo rallenta finché i due soli si ricongiungono. Al ritorno avviene il contrario.
Il Sole medio, invece, si muove con moto uniforme sull'equatore celeste, non sull'eclittica e si ritrova insieme al Sole vero nei punti γ e ω e passa al meridiano fondamentale di ogni fuso orario tutti i giorni esattamente a mezzogiorno.
Da questo si definisce il giorno solare medio di 24h, cioè 86.400s, derivante dalla media della durata di tutti i giorni solari dell'anno, e risulta quindi costante. Il mezzogiorno medio del luogo è l'istante in cui il Sole medio culmina sul meridiano.
Il motivo per cui il giorno solare medio dura 24 ore esatte dipende dal fatto che si è stabilito, per convenzione, di suddividerlo in 24 parti uguali, chiamate ore. Si poteva anche decidere di suddividerlo in maniera diversa.
L'Equazione del Tempo
L'Equazione del Tempo (ET) è lo scostamento in minuti tra il tempo solare vero indicato dalla meridiana, (la cui durata non è sempre 24h) e il tempo solare medio, o tempo civile, indicato dal nostro orologio (sempre di 24h) e dipendente dal fuso orario. Tale scostamento varia di giorno in giorno e può essere positivo o negativo: se il Sole è in anticipo rispetto all'orologio il segno è positivo, e se l'orologio è in anticipo rispetto al Sole il segno è negativo (primi tre mesi dell'anno).
L'Equazione del Tempo cambia anche di anno in anno con un ciclo di circa 4 anni.
Equazione del Tempo = tempo solare vero - tempo solare medio
Avvertenza. In alcuni testi trovate i termini invertiti e quindi anche i segni dell'ET e il grafico. Per evitare errori nel calcolo dei tempi controllare le indicazioni eventualmente presenti.
La differenza tra i tempi in anticipo o in ritardo, percepita da noi come moto apparente irregolare del Sole (curva blu), deriva dalla combinazione di due fattori: l'inclinazione dell'asse terrestre e l'eccentricità dell'orbita della Terra che fa variare la velocità di rivoluzione in perielio e afelio, che a volte si sommano e altre volte si sottraggono.
L'inclinazione dell'asse (curva verde) fa anticipare o ritardare una meridiana fino a un massimo di 9,8m rispetto al tempo civile. La sinusoide che si ottiene raggiunge i punti zero agli equinozi e ai solstizi, mentre diventa negativa all'inizio di Febbraio e Agosto e positiva all'inizio di Maggio e Novembre. L'ampiezza complessiva di questa differenza è di circa 20m.
L'eccentricità dell'orbita (curva rossa) provoca un anticipo o un ritardo fino a 7,6m per la diversa velocità di rivoluzione nel corso dell'anno. I punti zero si raggiungono al perielio (inizio Gennaio) e all'afelio (inizio Luglio); i valori estremi sono all'inizio di Aprile (negativo) e all'inizio di Ottobre (positivo).
Questi due fattori fanno sì che il tempo tra due successive culminazioni sul meridiano vari nel corso dell'anno, trovandosi in anticipo fino a +16m o in ritardo al massimo di -14m.
In particolare, tra fine Ottobre e inizio Novembre il mezzogiorno vero, rispetto all'orologio, si scosta di +16m 25s perché nei mesi estivi è più breve di quello medio, mentre tra l'11 ed il 12 di Febbraio ritarda di -14m 15s perché il giorno solare vero è più lungo perché in perielio accelera nella sua rivoluzione. I due tempi hanno un valore identico solo quattro giorni l'anno.
Durante il periodo dell'ora legale vanno sommati 60 minuti.
Curva blu: Equazione del Tempo - Curva verde: inclinazione dell'asse - Curva rossa: eccentricità dell'orbita
(Clicca sull'immagine per ingrandirla)
(Clicca
qui per il grafico cambiato di segno = ritardo del Sole vero nel passaggio al meridiano)
Se la curva si chiude a forma di 8 otteniamo il grafico chiamato analemma (ne abbiamo già accennato qui), in cui è rappresentata la variazione di posizione del Sole nell'anno tropico. L'analemma presenta un “anello” più grande nel periodo invernale (accelerazione durante il perielio) e più piccolo in estate.
(Clicca sull'immagine per ingrandirla)
Nell'analemma, sull'ordinata è indicata la declinazione del Sole e in ascissa i minuti in anticipo o in ritardo tra il tempo vero e quello medio. L'asse verticale centrale rappresenta il mezzogiorno medio e separa i ritardi del mezzogiorno vero, a destra, dagli anticipi, a sinistra. In nessun punto dell'analemma si vede un ritardo o un anticipo di più di 40s da un giorno all'altro, infatti, la differenza massima tra giorno vero e giorno medio è di 40s.
Se un osservatore scatta foto successive dalla stessa posizione e le compone in un'unica immagine, vede il percorso del Sole come nel grafico sopra.
Un'altra correzione da considerare, oltre all'Equazione del Tempo, è quella della differenza di longitudine tra il meridiano del fuso e il meridiano locale, che vedremo nella prossima pagina, al paragrafo relativo ai fusi orari.
L'animazione riassume i grafici precedenti
L'ora
L'ora è l'unità di misura del tempo pari alla 24ª parte del giorno ed è suddivisa in 60 minuti, il minuto in 60 secondi. Ciascuna ora è indicata con un numero progressivo da 1 a 24 (00).
A seconda del tipo di riferimento, abbiamo diversi tipi di ore.
L'ora solare vera è la 24ª parte del giorno solare vero, perciò la durata varia nel corso dell'anno.
L'ora solare media è la 24ª parte del giorno solare medio e ha una dura costante di 60m.
Se si fa riferimento al giorno sidereo, si ha l'ora siderea, la 24ª parte del giorno sidereo, pari a 59m 50,1704s del tempo medio. Anche questa ha una durata costante.
L'ora locale, o tempo locale vero, è quella in cui il Sole culmina a mezzogiorno sul meridiano locale. Quando il Sole raggiunge la sua massima altezza, l'effetto della rifrazione è minimo.
L'ora vera non si rileva con un orologio, che invece segna l'ora ufficiale del fuso orario, ma con una meridiana o con un orologio solare. I due termini sono spesso usati come sinonimi ma, più correttamente, l'orologio solare è un disegno su una parete verticale, sulla quale si proietta l'ombra di un'asta, indicando l'ora del giorno. La meridiana, invece, è una traccia del meridiano del luogo sul pavimento di una grande stanza, che viene illuminato da un raggio del Sole e indica il passaggio del Sole sul meridiano, cioè il mezzogiorno vero nel corso dell'anno.
Tutti i luoghi che si trovano sullo stesso meridiano, hanno la medesima ora, che però varia con la longitudine, perciò le località che si trovano a Est o a Ovest hanno un'ora locale diversa rispetto a quella indicata dalla meridiana di un dato luogo.
(Clicca sull'immagine per vedere uno schema di un orologio solare a muro. Clicca
qui per vedere la meridiana nella basilica di San Petronio (Bologna) - Crediti:
Rosapicci - CC BY-SA 4.0
)
Le ore romane
Per i Romani il giorno iniziava al levare del Sole e terminava al tramonto. Questo periodo era suddiviso in 12 horae, che avevano durata diversa secondo le stagioni e la latitudine, oscillando da un massimo di 75m 30s in inverno e 44m 30s d'estate. Solo agli equinozi la durata era uguale alle nostre ore.
Le ore diurne presentano tre momenti significativi:
- hora prima, l'alba, al nascere del Sole,
- hora sesta, a mezzogiorno,
- hora duodecima, l'ultima ora di luce al tramonto.
Una suddivisione, che rimane anche nella scansione dell'attuale Liturgia delle Ore, è quella in 4 parti:
- hora prima, all'alba,
- hora tertia, circa le 9,
- hora sexta, a mezzogiorno,
- hora nona, verso le 15.
La giornata si concludeva al tramonto con il vespero (prima vigilia).
Le ore notturne sono invece divise in 4 vigiliae, o turni di guardia (prima vigilia, secunda vigilia, tertia vigilia e quarta vigilia) e durano circa 3 ore.
Si riporta una tabella di corrispondenza delle ore (fonte Wikipedia).
Italiano | Latino |
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Dalle 6 alle 7 | hora prima |
Dalle 7 alle 8 | hora secunda |
Dalle 8 alle 9 | hora tertia |
Dalle 9 alle 10 | hora quarta |
Dalle 10 alle 11 | hora quinta |
Dalle 11 alle 12 | hora sexta |
Dalle 12 alle 13 | hora septima |
Dalle 13 alle 14 | hora octava |
Dalle 14 alle 15 | hora nona |
Dalle 15 alle 16 | hora decima |
Dalle 16 alle 17 | hora undecima |
Dalle 17 alle 18 | hora duodecima |
Dalle 18 alle 21 | prima vigilia |
Dalle 21 a mezzanotte | secunda vigilia |
Da mezzanotte alle 3 | tertia vigilia |
Dalle 3 alle 6 | quarta vigilia |