(7) La precessione degli equinozi

Gli antichi sacerdoti di Babilonia e dell'Egitto furono anche i pionieri dell'astronomia. Essi studiarono il cielo, disegnarono le mappe delle costellazioni, identificarono il percorso del Sole e stimarono il periodo con cui la Luna e il Sole si muovono attraverso il cielo.

Ma fu un astronomo greco, Ipparco di Nicea, che fece la prima grande scoperta dell'astronomia. Confrontando osservazioni distanti tra loro più di un secolo, Ipparco si rese conto che l'asse attorno al quale sembra ruotare la volta celeste si sposta gradualmente, anche se molto lentamente.

Visto dalla Terra, Il Sole si muove lungo l'eclittica, compiendo un giro completo nell'arco di un anno. Due volte all'anno, all'equinozio, la durata del giorno è uguale a quella della notte, e il Sole sorge esattamente ad est e tramonta esattamente ad ovest. Gli antichi astronomi non avevano buoni orologi per cui non potevano determinare quando il giorno e la notte avevano la stessa durata, però potevano identificare l'equinozio come il giorno in cui il Sole sorgeva esattamente ad est e tramontava esattamente ad ovest. In quelle due date la posizione del Sole si trova all'intersezione tra l'eclittica e l'equatore celeste.

Attorno al 130 a.C. Ipparco confrontò le antiche osservazioni con le proprie e concluse che nei precedenti 169 anni quelle intersezioni si erano spostate di 2 gradi. Come faceva Ipparco a conoscere la posizione del Sole tra le stelle così esattamente, dal momento che le stelle non sono visibili durante il giorno? Ipparco usò non il Sole ma l'ombra della Terra sulla Luna, durante un'eclisse di Luna! Durante un'eclisse, il Sole, la Terra e la Luna si dispongono lungo una linea retta, e quindi il centro dell'ombra terrestre sta in un punto della volta celeste che è esattamente opposto alla posizione del Sole.

"L'alba dell'era dell'Acquario"

Ipparco concluse che l'intersezione che indica l'equinozio si spostava lentamente in avanti, lungo l'eclittica, e chiamò questo movimento "la precessione degli equinozi". Occorrono circa 26^·000 anni per compiere un giro completo. Nei tempi antichi, l'intersezione che indica l'equinozio di primavera si trovava nella costellazione dell'Ariete, e per questo motivo l'intersezione (dovunque poi si trovi) talvolta è chiamata ancora "il primo punto dell'Ariete".

Attorno all'anno 1, questa intersezione è entrata nella costellazione dei Pesci e attualmente sta entrando nella costellazione dell'Acquario. Se avete sentito la canzone "L'alba dell'era dell'Acquario" nella commedia musicale "Hair", la canzone si riferisce a questo argomento. Per gli astronomi la precessione è un altro importante fattore di cui tener conto quando si punta un telescopio o si disegna una mappa stellare; ma per gli astrologi, "l'alba dell'era dell'Acquario" è di buon augurio e può segnare l'inizio di un'era nuova e completamente diversa.

La precessione dell'asse terrestre

Che relazione c'è tra questo "slittamento" e il moto della Terra nello spazio? Se avete provato a far ruotare una trottola, saprete che il suo asse di rotazione tende a restare allineato lungo la stessa direzione, in genere verticalmente, ma anche in qualsiasi altra direzione nello spazio.

La precessione di una trottola  che ruota: l'asse di rotazione  descrive la superficie di un cono.

Se però date un colpetto alla trottola, il suo asse comincerà ad oscillare attorno alla verticale, e il suo moto decriverà un cono (ved. disegno). Il movimento di rotazione della Terra avviene in modo simile, anche se, con una scala temporale molto più lenta, ogni rotazione dura un anno, e ogni giro attorno al cono si completa in 26^·000 anni. L'asse del cono è perpendicolare al piano dell'eclittica.

La causa del movimento di precessione sta nel rigonfiamento equatoriale della Terra, dovuto alla forza centrifuga associata alla rotazione terrestre (la forza centrifuga è discussa in una prossima sezione). La rotazione modifica la forma della Terra da una sfera perfetta a un globo leggermente schiacciato ai poli, che quindi è più gonfio all'equatore. L'attrazione da parte della Luna e del Sole su questo rigonfiamento è quindi il "colpetto" che produce il movimento di precessione terrestre.

In un ciclo che dura 26^·000 anni, la direzione verso cui punta l'asse di rotazione terrestre in cielo si sposta lungo una grande circonferenza con un raggio di circa 23,5 gradi. La stella polare, verso cui punta l'asse terrestre (entro circa un grado) adesso, una volta era molto distante dal polo celeste, e lo sarà di nuovo fra qualche migliaio di anni (a titolo di informazione, la stella polare raggiungerà il suo massimo avvicinamento al polo celeste nel 2017). Infatti, la "stella polare" usata dagli antichi naviganti greci era diversa da quella attuale, e non era così vicina al polo celeste.

A causa della scopeta fatta da Ipparco, la parola "precessione" non significa più "slittamento in avanti", ma si riferisce ora ad ogni movimento che un asse di rotazione descrive lungo un cono -- per esempio, la precessione di un giroscopio nella strumentazione di un aereo, o la precessione di un satellite che ruota nello spazio.

La precessione di una sonda in orbita (fenomeno noto anche come "nutazione") è piuttosto spiacevole, poiché complica i procedimenti di allineamento della sua strumentazione. Per eliminare il fenomeno, alcuni satelliti montano degli "ammortizzatori di nutazione", piccoli tubi parzialmente riempiti di mercurio. Se il satellite ruota regolarmente, il mercurio fluisce nel tubo verso la parte più lontana dall'asse di rotazione, e vi rimane. Se invece la rotazione presenta un fenomeno di precessione, il mercurio va avanti e indietro nel tubo. L'attrito quindi consuma energia, e poiché la causa di questa oscillazione del mercurio è la precessione dell'asse di rotazione, tale precessione (molto gradualmente) esaurisce la sua energia e termina.

[Nella sezione relativa al calendario, si è visto che la rotazione terrestre viene rallentata molto gradualmente dalle maree, causate dall'attrazione gravitazionale della Luna. Questo processo è un po' simile all'azione degli ammortizzatori di nutazione: l'energia delle maree viene assorbita, cioè viene convertita in calore, quando le onde prodotte dalle maree si infrangono sulla costa, e questa energia viene alla fine sottratta al moto di rotazione (non di precessione) della Terra].

Dicono alcuni che finirà nel fuoco
il mondo, altri nel ghiaccio.
Del desiderio ho gustato quel poco
Che mi fa scegliere il fuoco.
Ma se dovesse due volte finire,
So pure che cosa è odiare,
E per la distruzione posso dire
Che anche il ghiaccio è terribile
E può bastare.
                                Robert Frost

Circa 2000 anni dopo Ipparco, nel 1840 Louis Agassiz, uno scienziato svizzero, pubblicò un libro sui ghiacciai, formazioni molto familiari nella sua terra natale -- enormi fiumi di ghiaccio costituiti dall'accumulo di neve, che riempiono le vallate e scivolano lentamente verso il basso fino al loro punto di arrivo, i laghi (o, in altre nazioni, il mare).

I ghiacciai lasciano il segno sul paesaggio: essi graffiano e frantumano le rocce, e trascinano grandi quantità di ciottoli, a volte anche grossi massi, dalle montagne fino alle pianure, lasciandoli lontani dai loro luoghi di origine, dove alla fine il ghiaccio si scioglie. Agassiz, che poi divenne un insigne professore ad Harvard, notò che tali fenomeni esistevano un po' dovunque nell'Europa settentrionale, e suggerì che le terre abitate adesso da Tedeschi, Polacchi, Russi e altri popoli una volta erano ricoperte da immensi ghiacciai.

Anche l'America ha i suoi ghiacciai: per esempio, Cape Code è costituito dai resti di ghiaia glaciale. Successivi studi geologici hanno dimostrato che tali ghiacciai avanzarono e si ritirarono varie volte nell'ultimo milione di anni. L'ultima volta che i ghiacciai si ritirarono, e piuttosto bruscamente, fu circa 12^·000 anni fa.

Ai giorni nostri, l'inverno nell'emisfero boreale avviene in quella zona dell'orbita terrestre in cui la parte nord dell'asse terrestre è inclinata in direzione opposta al Sole. Tuttavia, poiché l'asse si muove lungo un cono, fra 13^·000 anni, in questa zona dell'orbita, l'asse sarà inclinato dalla parte del Sole, e si avrà la piena estate proprio quando la Terra è più vicina al Sole.

In quel tempo ci si aspetta che il clima nell'emisfero boreale sia molto più marcato, e poco influenzato dagli oceani, poiché la proporzione di terre emerse nell'emisfero nord è molto maggiore. Milankovich suppose che, poiché gli inverni sarebbero più freddi, cadrebbe più neve, alimentando i grandi ghiacciai. Inoltre disse che, poiché la neve è bianca, riflette la luce del Sole, e pertanto con gli inverni più rigidi le terre ricoperte di neve stenterebbero a riscaldarsi una volta che l'inverno sia finito. Il clima è mantenuto da un delicato equilibrio tra opposti fattori, e Milankovich argomentò che questo effetto sarebbe sufficiente per turbare quell'equilibrio e provocare le ere glaciali.

Milankovich sapeva che questo era soltanto uno dei fattori, poiché risulta che le ere glaciali non ricorrono ogni 26^·000 anni, né sembrano comuni in altri periodi geologici. Anche l'eccentricità dell'orbita terrestre, che determina il massimo avvicinamento al Sole, varia periodicamente, come pure l'inclinazione dell'asse di rotazione terrestre rispetto all'eclittica. Ma l'idea generale che le ere glaciali possano essere connesse con il moto della Terra nello spazio può essere attualmente una delle nostre migliori congetture sulle cause delle ere glaciali.

Postscriptum, 28 luglio 1999.     L'influenza dell'effetto Milankovich dipende dalla differenza tra la massima e la minima distanza dal Sole. Tale differenza dipende a sua volta dall'eccentricità dell'orbita terrestre, che varia con un ciclo di 100^·000 anni, su cui è sovrapposto un altro ciclo di 413^·000 anni. J. Rial (dell'Università del North Carolina) ha trovato "l'impronta" di questi cicli nel contenuto dell'isotopo dell'ossigeno nei sedimenti del fondale marino, in pieno accordo con la teoria di Milankovich. Il suo articolo è stato pubblicato su "Science," vol. 285, p. 564, 23 luglio 1999; una spiegazione non tecnica intitolata "Perché le ere glaciali non sono periodiche" si trova nelle pagine 503-504 dello stesso fascicolo.

Ulteriori approfondimenti:

A causa della precessione degli equinozi, la posizione tra le stelle del polo celeste -- quel perno attorno a cui la volta celeste sembra ruotare -- traccia una circonferenza completa ogni 26^·000 anni. Il polo celeste si trova attualmente piuttosto vicino alla Stella Polare, ma non sarà così in futuro, come non lo è stato in passato. Gli antichi Egizi consideravano come stella polare la stella Thuban o "Alpha Draconis", la stella più luminosa (alfa) della costellazione del Dragone. Per maggiori dettagli sul moto del polo celeste, si può visitare questo sito e quest'altro.

    Un articolo di rassegna, soprattutto per gli studiosi, è: Trends, Rhythms and Aberrations in Global Climate 65 Ma to the Present (Tendenze, ritmi e aberrazioni nel clima globale da 65 milioni di anni fa ad oggi) di James Zachos, Mark Pagani, Lisa Sloan, Ellen Thomas e Katharina Billups, "Science" vol. 292, p. 686, 27 aprile 2001. Questo articolo va al di là delle variazioni dovute alla precessione degli equinozi e comprende anche le variazioni di eccentricità dell'orbita terrestre, dell'inclinazione tra l'asse di rotazione e l'eclittica, e del ciclo stesso della precessione.

    La sensazionale notizia della teoria di Milankovich (comprese altre periodicità).

   Una biografia di Milutin Milankovich.

    Per una seria indagine scientifica: Un recente articolo su "Nature" applica la teoria di Milankovich a Marte e conclude che i suoi effetti su quel pianeta furono probabilmente molto più severi, in parte poiché la presenza della nostra Luna regola l'angolo di inclinazione dell'asse di rotazione terrestre. Ved. Recenti ere glaciali su Marte di James W. Head et al., Nature, vol. 426, pp. 797-802, 18/25 dicembre 2003.

Sui monumenti a Taiwan (Formosa) che indicano la precessione degli equinozi.