I cieli dei luoghi e i sistemi di riferimento astronomici

Ogni luogo ha un cielo, luoghi diversi hanno cieli diversi, il cielo di un luogo cambia con il tempo. Cerchiamo di essere più precisi:

Di giorno, il cielo ci appare come una grande sfera di colore azzurro su cui possiamo riconoscere il Sole e talvolta la Luna. Di notte il cielo si popola di stelle, talvolta si vedono i pianeti e la Luna. Come di giorno gli oggetti celesti ci appaiono tutti alla stessa distanza, da qui la sensazione di essere sotto una grande volta appoggiata al cerchio dell'orizzonte: la sfera celeste.
Durante la notte, così come durante il giorno, il cielo pare ruotare da Est verso Ovest e trascinare nel suo apparente movimento tutti i corpi celesti che, al passare del tempo, cambiano posizione rispetto all'orizzonte; alcuni di essi rimangono sempre visibili, altri sorgono e tramontano. Tutto questo è la conseguenza della rotazione della Terra da Ovest verso Est, in senso antiorario.
Le stelle, visibili in una certa direzione alla stessa ora della notte, cambiano durante l'anno. Durante l'anno cambia anche l'altezza del Sole a mezzogiorno e il punto da cui sorge e in cui tramonta. Tutto questo è la conseguenza del moto di rivoluzione della Terra attorno al Sole.
Non è sufficiente descrivere qualitativamente il cambiamento del cielo, per potersi orientare in cielo e sulla Terra è necessario descrivere quantitativamente la posizione delle stelle. Esse ci appaiono alla superficie della sfera celeste e, su una sfera, un punto è definito da una coppia di coordinate che misurano la sua distanza angolare da due piani di riferimento; essi prendono il nome di piano fondamentale e piano origine. La scelta dei piani di riferimento è arbitraria e ogni coppia di piani definisce un sistema di coordinate.

Il modo più semplice per indicare la posizione di un oggetto in cielo è quello di utilizzare il sistema di riferimento detto alto-azimutale, le cui coordinate sono l'azimut e l'altezza. Durante il giorno cambiano continuamente l'altezza e l'azimut del Sole e lo stesso accade, di notte, per le stelle, ma non tutte della stessa quantità. Al passare del tempo, alcune sorgono e tramontano, sono perciò visibili solo per una parte della notte e prendono il nome di stelle occidue. Altre, pur cambiando posizione, si mantengono sempre sopra l'orizzonte e vengono chiamate stelle circumpolari. L'appartenenza di una stella al gruppo delle occidue o delle circumpolari dipende dalla latitudine del luogo di osservazione; all'equatore tutte le stelle sono occidue, ai poli tutte sono circumpolari. La stella circumpolare più lontana dal polo celeste si muove, apparentemente, percorrendo un cerchio tangente all'orizzonte, che gli antichi chiamavano circolo artico.
Nell'emisfero settentrionale ed in questo
periodo storico, c'è una stella che rimane praticamente ferma, cioè mantiene grosso modo la stessa altezza e lo stesso azimut, a qualunque ora della notte ed in qualunque notte dell'anno: la Polare Questa stella si trova per caso molto vicina (meno di un grado) al Polo Nord Celeste, il punto della sfera celeste verso cui è diretto l'asse di rotazione terrestre.

Per ovviare al problema che pone la continua variazione delle posizioni delle stelle e del Sole durante il giorno e la notte, gli astronomi ricorrono al sistema di riferimento equatoriale relativo. Una paziente osservazione durante tutta la notte od una foto a lunga esposizione, ci mostrano che le stelle si muovono apparentemente lungo traiettorie circolari e parallele, che diventano sempre più piccole quanto più sono vicine all'asse di rotazione della sfera celeste.

Le traiettorie con raggio maggiore individuano il piano dell' Equatore Celeste; la distanza di ciascuna stella rispetto a questo piano è costante, risulta così naturale prendere questo piano come base di un nuovo sistema di riferimento (Sistema Equatoriale) e la distanza costante come una delle sue coordinate: la Declinazione. L'altra coordinata, qualunque sia il suo piano di riferimento, varia continuamente, ma uniformemente con il tempo. La si misura a partire dal meridiano locale verso Ovest in senso orario e prende il nome di Angolo Orario. L'angolo orario di una stella indica così di quanto la Terra ha ruotato dopo il passaggio di quella stella in meridiano, cioè quanto tempo è passato. Per questo motivo l'angolo orario si misura in ore, minuti e secondi; tenendo conto che 24 ore di angolo orario corrispondono ad un'intera rotazione della Terra che riporta così le stelle nella stessa direzione, un'ora corrisponde a 15 gradi, un minuto di tempo a 15 primi ed un secondo di tempo a 15 secondi di grado.
Il tempo che deriva dall'angolo orario di un oggetto celeste e quindi dalla rotazione della Terra, prende il nome di Tempo rotazionale per distinguerlo da altri tipi di tempo, basati cioè su altri fenomeni ed altri tipi di misura

Gli astronomi però non si sono accontentati perché il sistema di riferimento equatoriale relativo, anche se più comodo, ha sempre una coordinata che varia nel tempo, quella che appunto abbiamo chiamato angolo orario che, inoltre, risulta diversa per osservatori che non si trovano lungo lo stesso meridiano terrestre. Per avere coordinate celesti che non variano nel tempo e che rimangano costanti per qualsiasi osservatore sulla Terra, è stato introdotto un terzo sistema di riferimento, detto equatoriale assoluto. Questo sistema è quello che si usa per disegnare le posizioni delle stelle sui globi celesti, le carte, gli atlanti celesti oppure per compilare cataloghi di oggetti quali galassie, stelle, nebulose ecc.

Per rappresentare la posizione degli astri in cielo si utilizzano gli stessi sistemi di proiezione che vengono utilizzati per la posizione dei luoghi geografici. In questo modo è possibile disegnare delle carte del cielo nel sistema di riferimento alto azimutale, nel sistema equatoriale relativo, e nel sistema assoluto.

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