Testimonianze astronomiche in Toscana: il grande gnomone della Cattedrale di Santa Maria del Fiore a Firenze

Piero Ranfagni

Osservatorio di Arcetri

Alberto Righini

Universita` degli Studi, Dipartimento di Astronomia e Scienze dello Spazio

Il Duomo di Firenze ospita, fin dalla sua costruzione, un grande strumento astronomico, uno gnomone che, con i suoi 90 metri di altezza, e' il piu' grande del suo genere e che, con alterne vicende, e' stato utilizzato in programmi scientifici per oltre 300 anni.

Uno gnomone, e' un palo, una colonna, un obelisco la cui ombra permette di misurare la posizione del Sole in cielo. Lo gnomone, nella sua semplicita' tecnologica, e' sicuramente lo strumento astronomico piu' antico e diffuso; con esso si poterono ben presto studiare i due moti apparenti del Sole, quello diurno e quello annuo, dovuti rispettivamente ai moti reali di rotazione e rivoluzione della Terra.
Fu ben presto chiaro che l'accuratezza della misura poteva essere aumentata usando pali sempre piu' alti, cioe' aumentando l'altezza dello gnomone. Poiche' il Sole e' una sorgente estesa che sottende un angolo di circa 1/2 grado in cielo, l'ombra del vertice dello gnomone non e' nitida, ma sfuma in una penombra mal definita.
Purtroppo il contrasto tra ombra, penonmbra e superficie illuminata diminuisce rapidamente con l'aumentare dell'altezza dello gnomone e pone un serio limite all'accuratezza che, per questa via, si puo' ottenere. Il modo piu' efficace per aumentare il contrasto e' di sostituire l'ombra con la luce e cioe' di usare un foro gnomonico al posto del palo, come e' stato fatto in S. Maria del Fiore e negli altri gnomoni rinascimentali. Se il diametro del foro e' all'incirca 1/1000 dell'altezza dello gnomone si ottiene sul pavimento un'immagine abbastanza nitida del Sole, (immagine stenopeica) molto piu' luminosa della superficie circostante, ma circondata, anche in questo caso, da un alone soffuso di penombra. L'immagine stenopeica, cosi' come il vertice dell'ombra del palo si muovono continuamente da Ovest verso Est a causa del moto apparente diurno del Sole ed a questo movimento regolare si sovrappone un tremolio, sempre presente, dovuto alla turbolenza atmosferica, innescata dalle differenze di temperatura nell'aria a varie altezze, fuori e dentro l'edificio. Non c'e' modo di aumentare ulteriormente nitidezza e contrasto o di eliminare il tremolio dell'immagine se non abbandonando la semplicita' tecnologica della gnomonica e passando al telescopio. Solo nel 1700 i telescopi divengono competitivi con gli strumenti della gnomonica e si chiude allora una pagina gloriosa, iniziata qualche millennio prima; l'ultimo gnomone ad andare in pensione, scientificamente parlando, pare essere prorio quello fiorentino.

La bronzina all'interno della cupola

In S. Maria del Fiore il foro gnomonico e' stato realizzato con una tavoletta di bronzo (la bronzina) recante un'apertura centrale di un paio di centimetri di diametro e posta orizzontalmente all'interno della finestra meridionale del tamburo di cupola, a 90 metri dal pavimento.
L'altezza dello gnomone e' tale che i raggi del Sole, passanti per il foro, colpiscono il pavimento della chiesa solo dalla fine di Maggio alla fine di Luglio e per pochi minuti prima e dopo il mezzogiorno. In questo periodo l'immagine solare si forma sul pavimento della Cappella della Croce, a sinistra dell'altare maggiore, dove si trovano, sotto la protezione di lastre di ottone, una linea meridiana finemente graduata e due marmi circolari, uno dentro l'altro, che funzionano da contrassegni solstiziali. Il maggiore, con un diametro di circa 90 centimetri, ha le stesse dimensioni dell'immagine solare al solstizio d'estate.

Spaccato dello Gnomone

Fino a pochi anni fa non esistevano documenti o iscrizioni che indicassero l'autore dello gnomone, la data della sua realizzazione e la problematica astronomica che si intendeva affrontare. La migliore indagine storica è, ancora oggi, quella del gesuita Leonardo Ximenes pubblicata nel 1757 come introduzione al suo volume dedicato appunto allo gnomone fiorentino. Sulla base di considerazioni cronologiche e astronomiche egli individuava in Paolo del Pozzo Toscanelli l'autore e nel 1468 la data più probabile per l'entrata in funzione dello strumento. Nel 1979 l'archivista dell'Opera del Duomo, Enzo Settesoldi, pubblica un breve articolo in cui da notizia del ritrovamento di un documento che conferma l'ipotesi dello Ximenes per quanto riguarda l'autore anche se sposta in avanti di qualche anno l'entrata in funzione. Riportiamo integralmente il documento:

Archivio dell'Opera del Duomo di Firenze
Quaderno Cassa, serie VIII-1-61, anno 1475, carta 2v MCCCLXXV
Spese d'Opera
E adí detto
(16 agosto) lire cinque soldi quindici dati a Bartolomeo di Fruosino orafo, sono per il primo modello di bronzo di libbre 23 once 4, fatto per Lui a istanza di maestro Paolo Medicho per mettere in sulla lanterna, per mettere da lato drento di chiesa per vedere il sole a certi dí dell'anno.
Lire 5 soldi 15

Per quanto riguarda la problematica, sicuramente lo gnomone dovette servire ad individuare il momento esatto del solstizio e quindi a determinare la durata dell'anno tropico e dai documenti risulta che Paolo Toscanelli propose per questa grandezza un valore piu' accurato di quello usato dai contemporanei. Ma uno gnomone "cosi' smisurato" poteva servire anche per un'indagine piu' ambiziosa: determinare se l'eclittica, cioe' il cammino apparente annuo del Sole tra le stelle, si mantiene costante nel tempo; in termini moderni cio' significa determinare se l'inclinazione dell'asse della Terra, sul piano orbitale, e' costante. Questa problematica era gia' stata posta dall'astronomia araba e, successivamente, era passata a quella europea che, proprio negli anni del Toscanelli, si stava risvegliando da un torpore secolare. La questione e' chiaramente e ripetutamente enunciata a Firenze fin dai primi anni del XVI secolo e nel 1510 viene sicuramente compiuta una nuova misura, come testimonia l'iscrizione riportata sul grande marmo solstiziale.
Successivamente a questa data si hanno solo sporadiche e talvolta sconclusionate osservazioni astronomiche, nessuna delle quali basata su chiari obbiettivi scientifici; anzi inizia e si protrae per quasi 250 anni un curioso uso improprio dello strumento: ipotizzando la costanza dell'altezza del Sole al solstizio si cerca di verificare la stabilita' della chiesa, osservando, anno dopo anno, il ritorno dell'immagine solare sul marmo soltiziale.

E' solo nel 1754 che si ritorna a parlare di Astronomia, quando Leonardo Ximenes formula un preciso progetto di ricerca, chiedendo ed ottenendo finanziamenti ed accesso alla chiesa ed allo gnomone.
Al tempo dello Ximenes si sapeva gia' che l'asse della Terra e' soggetta ad un'oscillazione periodica con periodo 18 anni, ma non si era ancora riusciti a dimostrare che l'inclinazione dell'asse e' anche soggetta a variazioni a piu' lungo periodo che, nell'arco di un anno, sono estremamente piccole. Ma cio' che e' piccolo e forse non misurabile a distanza di un anno, puo' diventare abbastanza grande e misurabile a distanza di qualche secolo. Egli si propone di misurare questa variazione confrontando l'altezza del Sole al solstizio del 1755 con quella al solstizio del 1510, stabilmente registrata dal grande marmo, sul pavimento della cattedrale.
Non e' una misura facile e lui per primo si dichiara consapevole che qualunque risultato va verificato nel tempo, con successive misure da farsi negli anni a venire. Inoltre la misura deve essere svincolata dalla cattedrale e riferita ad un sistema di coordinate, accessibile da qualunque osservatore. Per far cio' deve misurare l'altezza dello gnomone e ci riesce con un errore inferiore a qualche millimetro su 90 metri e tracciare una linea meridiana con la quale si possono apprezzare variazioni dell'altezza del Sole fino al secondo d'arco.
Dopo una prima serie di misure nel 1755 e 1756 lo Ximenes torna ad usare lo strumento nel 1764 e poi nel 1782, riuscendo a dimostrare che il fenomeno esiste ed e' misurabile.
Muore nel 1786 lasciando i suoi averi all'osservatorio che prendera' da lui il nome di Ximeniano, con la precisa raccomandazione al direttore di continuare le osservazioni solstiziali allo gnomone.
Negli 80 anni successivi le misure sono scarse e discontinue e lo gnomone cade nell'oblio. Nel 1864 il direttore della Specola di via Romana, G. B. Donati chiede di usarlo e diventa di pubblico dominio che la bronzina non e' piu' al suo posto, essendo stata rimossa nel 1859 nel corso di alcuni lavori di restaturo. Ne parla la stampa cittadina e se ne interessa il sindaco che fa pressione sull'Opera del Duomo. G. Antonelli, direttore dell'Osservatorio Ximeniano viene incaricato di ricollocare al suo posto la bronzina che, dopo attenta e lunga ricerca, viene ritrovata nei magazzini dell'Opera e rimurata nel novembre del 1865, un po' piu' in alto, rispetto alla posizione originaria ed interrompendo cosi' ogni continuita' e possibilita' di confronto con le precedenti misure dello Ximenes.
Antonelli non esegue alcuna misura e bisogna attendere il 1893 per avere una nuova serie di osservazioni (1893-1901), compiute dal nuovo direttore dello Ximeniano, Giovanni Giovannozzi che, preso atto della superiorita' dei tescopi della sua epoca, ripropone, in termini moderni, l'utilizzo delle misure sostiziali allo gnomone per la verifica della stabilita' della costruzione.
Il suo successore, Guido Alfani, nel 1927-28, esegue ancora altre misure, con lo stesso scopo, e dimostra che la grande cupola e' soggetta a piccole oscillazioni, stagionali e diurne, di natura termica. Ma ormai anche l'uso ingegneristico dello gnomone viene meno e lo stesso Alfani sperimenta sismografi modificati per sorvegliare, piu' semplicemente e direttamente durante tutto l'anno, ogni piu' piu' piccola oscillazione della costruzione.

L'immagine del Sole sul pavimento di S.Maria del Fiore

Nella consapevolezza che lo gnomone aveva ormai perso ogni sua originaria utilita', Giovannozzi ed Alfani proposero l'estemporanea esecuzione delle misure sostiziali come una cerimonia per conservare nella cultura memoria dell'antico strumento, di chi lo costruì ed usò. È questa un'intuizione moderna che tante volte abbiamo visto verificata: conservazione materiale e culturale vanno di pari passo, non c'e' l'una senza l'altra.
Con questo spirito gli autori di questa breve nota hanno chiesto ed ottenuto dall'Opera il permesso di eseguire nuove osservazioni per il solstizio del 1996. Non accadeva piu' dalla meta' degli anni 70 e di nuovo l'immagine del Sole si e' formata sul pavimento della Cappella della Croce ed ha attraversato la linea meridiana dello Ximenes.
Nel 1997, in occasione del settimo centenario della posa della prima pietra di Santa Maria del Fiore, l'Opera ha voluto celebrare la ricorrenza con numerose manifestazioni, tra cui venti osservazioni solstiziali. Nel 1998 si è deciso di ripetere ogni anno la manifestazione, limitandola a due-tre giorni immediatamente precedenti o seguenti il Solstizio d'estate ed inserendola nell'offerta culturale complessiva della città di Firenze.