Il Sistema solare La Terra, con altri pianeti, orbita attorno a una stella, il Sole ed insieme formano il Sistema solare. Il Sistema solare fa parte di una galassia, un gigantesco insieme di centinaia di miliardi di stelle, che rappresenta un piccolo punto nell immensità dell Universo. La nostra galassia è chiamata Via Lattea o Galassia. È un immenso disco con un addensamento centrale da cui partono dei bracci, ha cioè una forma a spirale. Le galassie hanno varie forme, oltre che a spirale possono avere una forma a spirale barrata oppure può essere di forma ellittica, oppure irregolare. Per misurare le enormi distanze si usano principalmente due unità di misura: 1. l unità astronomica (UA), che corrisponde a 150 milioni di km, ovvero la distanza media del Terra dal Sole e si usa per misurare le distanze nel sistema solare; 2. l anno luce (a.l.) che corrisponde alla distanza percorsa dalla luce in un anno (9.460 miliardi di km). Le Stelle nascono da nebulose formate da gas e polveri cosmiche, in queste nebulose per zione della forza di gravità il gas e le polveri si addensano e attraggono altri gas e polveri, creando nuclei densi e caldi che generano una protostella; all interno del nucleo della protostella avviene una contrazione che fa aumentare la temperatura fino a quanto iniziano le reazioni di fusione nucleare che fanno espandere il nucleo. La stella si stabilizza quando le forze di espansione e di contrazione di controbilanciano. I pianeti a differenza delle stelle non emettono luce propria, ma riflettono la luce del Sole e nella volta celeste cambiano posizione nel corso dell anno a differenza delle stelle che invece appaiono fisse. Il moto dei pianeti attorno al Sole è detto moto di rivoluzione. Il tempo impiegato da un
pianeta a percorrere un giro completo si chiama periodo di rivoluzione. La regolarità del moto dei pianeti è enunciata nelle leggi di Keplero: La prima legge di Keplero afferma che le traiettorie, o orbite, descritte dai pianeti sono ellissi di cui il Sole occupa uno dei due fuochi. Pertanto: un pianeta non si trova sempre alla stessa distanza dalla Sole; il punto di minima distanza di un pianeta dal Sole si chiama perielio; il punto di massima distanza si chiama invece afelio (la Terra all afelio si trova a 152 milioni di km dal Sole, mentre al perielio si trova a 147 milioni di km). Keplero scoprì anche che i pianeti accelerano quando sono più vicini al Sole, e rallentano quando se ne allontanano. Questa osservazione è riassunta nella seconda legge di Keplero che dice: il moto di un pianeta non avviene con velocità costante, ma la sua velocità è tale che il raggio vettore descrive aree uguali in tempi uguali. Keplero notò che i pianeti più lontani dal Sole hanno periodi di rivoluzione più lunghi. Questo perché: essendo più lontani dal Sole, l orbita è più ampia; all aumentare della distanza dal Sole, la velocità del moto diminuisce. Questo fatto è affermato nella terza legge di Keplero, che dice: il periodo di rivoluzione è diverso da pianeta a pianeta e cresce all aumentare della distanza del pianeta dal Sole. Ma che cosa trattiene i pianeti in orbita attorno al Sole? Newton fu il primo a pensare che la forza che trattiene la Terra e gli altri pianeti attorno al Sole è la stessa che fa cadere i corpi verso il basso: La forza di gravità (o forza di attrazione gravitazionale) è una forza di mutua attrazione, che esiste tra tutti i corpi dell Universo. L elemento chimico più abbondante nel Sistema solare e nell Universo è l idrogeno (H). Al secondo posto, in quantità minore, troviamo l elio (He). Da solo, il Sole contiene il 99,8% di tutta la materia del Sistema solare ed è formato in prevalenza da idrogeno. I pianeti che ruotano intorno al Sole possono essere suddivisi in pianeti rocciosi, gassosi e ghiacciati. I pianeti come la Terra, Mercurio, Venere e Marte sono costituiti in proporzione considerevole di materiali solidi: sono detti pianeti terrestri o rocciosi. I pianeti che si trovano al di là di Marte, Giove e Saturno, hanno notevoli dimensioni e sono costituiti in prevalenza da idrogeno. Essi sono anche detti giganti gassosi. I due pianeti più lontani dal Sole, Urano e Nettuno, possono essere definiti giganti ghiacciati in quanto, a causa delle basse temperature, alcuni dei materiali che sugli altri pianeti sono allo stato gassoso, qui si trovano allo stato solido.
Il Sole è un enorme globo di gas con un diametro di circa 1.400.000 km, più o meno 109 volte quello terrestre; ha un volume che è 1,30 milioni di volte quello della Terra e una massa 333000 volte maggiore. La densità media del Sole, di solo 1,4 g/cm 3, è poco maggiore della densità dell acqua (1 g/cm 3 ) e circa un quarto della densità media della Terra (5,5 g/cm 3 ). Procedendo dall interno verso l esterno del Sole possiamo distinguere quattro involucri gassosi: 1. Il nucleo solare, relativamente piccolo rispetto al volume totale del globo ha una temperatura sui 15 milioni di gradi. 2. La zona radiativa è lo spesso strato che circonda il nucleo solare. 3. La zona convettiva è la regione nella quale enormi getti di gas incandescente salgono e, dopo essersi raffreddati, ridiscendono. 4. La fotosfera è ciò che si vede, quando si osserva il Sole; ha una temperatura di circa 6000 C, e da essa proviene la maggior parte delle radiazioni solari, tra cui la luce. La Luna è uno dei satelliti più grandi del Sistema solare; il suo raggio medio è di 1740 km, un quarto di quello terrestre. La densità della Luna è quasi la metà di quella terrestre. È priva di acqua e di atmosfera. Sulla sua superficie si distinguono gli altipiani di aspetto chiaro e più elevati rispetto ai crateri (depressioni circolari dovute prevalentemente all impatto di meteoriti) e ai mari, macchie scure pianeggianti, formate da ampie distese di lava basaltica.
La forma della Terra L esperienza ci suggerisce che la Terra è sferica perché: 1. l ombra che la Terra proietta sulla Luna durante le eclissi ha sempre forma circolare; 2. un viaggiatore che si sposta verso sud osserva stelle sempre differenti; l altezza sull orizzonte della Stella Polare diminuisce a mano a mano che ci si sposta più a sud. La Terra non è perfettamente sferica: è leggermente schiacciata ai Poli e rigonfia all Equatore, la sua forma è quella del geoide. Il raggio polare misura 6357 km, quello equatoriale 6378 km: tra i due valori c è una differenza di soli 21 km. La causa dello schiacciamento polare è il moto di rotazione della Terra attorno al suo asse. La Terra compie due moti: il moto di rotazione intorno a un asse immaginario, l asse di rotazione che passa per i poli ed un moto di rivoluzione intorno al Sole. A causa di questi moti il Sole e le stelle compiono dei moti apparenti nel corso dell anno. La conseguenza della rotazione terrestre è l alternarsi del dì e della notte, pertanto in ogni istante delle 24 ore c è una metà della Terra che è esposta al Sole e un altra metà che si trova al buio. La linea che separa la parte illuminata da quella al buio è chiamato circolo di illuminazione. Il passaggio dal buio alla luce e viceversa non è brusco: la diffusione della luce solare nell atmosfera determina il chiarore dell aurora e quello del crepuscolo. La Terra compie un giro completo attorno al Sole in circa 365 giorni, ossia in un anno. A questo movimento si dà il nome di moto di rivoluzione terrestre. Una delle prove di questo moto è l osservazione del moto apparente del Sole durante l anno attraverso le costellazioni dello Zodiaco. Le stagioni sono una conseguenza del moto di rivoluzione terrestre e del fatto che: l asse di rotazione punta sempre, in direzione Nord, verso la Stella Polare ed è inclinato di 66 33 rispetto al piano dell orbita terrestre. Per questo motivo la Terra nel corso di una rivoluzione rivolge maggiormente al Sole alternativamente l emisfero settentrionale e quello meridionale. Nel corso dell anno la posizione reciproca del Sole e Terra cambia. Il giorno dell equinozio di primavera (21 marzo) e dell equinozio di autunno (23 settembre) la durata del dì è uguale a quella della notte in tutti i punti della Terra: i raggi del Sole cadono perpendicolarmente all Equatore ed il circolo di illuminazione passa per i Poli. Il giorno del solstizio d estate (21 giugno) l emisfero boreale è rivolto verso il Sole più che in qualsiasi altro momento dell anno: il Sole, nell emisfero boreale, raggiunge a mezzogiorno la massima altezza in cielo, la durata del dì rispetto alla notte è massima; a mezzogiorno i raggi del Sole cadono perpendicolari al Tropico del Cancro. Il giorno del solstizio d inverno (22 dicembre) il Sole, nell emisfero boreale, raggiunge a mezzogiorno la minima altezza in cielo, la durata della notte è massima; a mezzogiorno i raggi del Sole cadono perpendicolari al Tropico del Capricorno. Sulla base delle considerazioni astronomiche esposte, ora possiamo capire perché vi siano differenze climatiche fra le stagioni. In primavera e in estate il Sole è più alto sull orizzonte e quindi scalda maggiormente la superficie terrestre; in queste stagioni il dì dura più a lungo e questo fa pian piano accumulare sempre più calore; in autunno e inverno avviene il contrario: nelle lunghe notti si disperde più calore di quanto non ne venga assorbito durante il dì e la temperatura è più bassa. Il periodo più caldo dell anno si colloca tra luglio e agosto perché la Terra continua ad accumulare calore e riceve di giorno più energia di quanta ne disperda durante la notte. Allo stesso modo, dopo
il solstizio d inverno la Terra continua a raffreddarsi e i mesi invernali successivi risultano più freddi di quelli autunnali che li precedono. La Luna presenta un aspetto mutevole: a volte, la faccia rivolta verso la Terra si presenta tutta illuminata, a volte solo parzialmente illuminata, a volte del tutto oscura. Compie tre tipi di movimento: moto di rotazione intorno al proprio asse, moto di rivoluzione intorno alla Terra e moto di traslazione insieme alla Terra intorno al Sole. I diversi aspetti assunti dalla Luna, o fasi lunari, si ripetono nella stessa successione in un intervallo di tempo detto mese sinodico, pari a circa 29 giorni e mezzo. Il mese del nostro calendario è derivato da esso. Le fasi lunari sono dovute al moto di rivoluzione della Luna e al suo conseguente ciclico cambiamento di posizione rispetto alla Terra e al Sole. Le eclissi avvengono quando il Sole, la Terra e la Luna si trovano allineati e i raggi solari vengono intercettati dal corpo celeste (Terra o Luna) che si trova nel mezzo. L eclissi di Luna si ha quando la Terra si interpone tra il Sole e la Luna, per cui questa non riceve più la luce solare e non è quindi visibile. Perché ciò accada la Luna deve trovarsi nella fase di luna piena. L eclissi di Sole si ha quando è la Luna a interporsi tra il Sole e la Terra. In tale situazione il disco della Luna copre il Sole che, visto dalla Terra, risulta occultato. Perché ciò accada la Luna deve trovarsi dalla stessa parte del Sole rispetto alla Terra, ossia nella fase di luna nuova.
La rappresentazione della superficie terrestre L orientamento è stato sempre un bisogno primario dell uomo. Di giorno ci si può orientare mediante l osservazione del Sole individuando i 4 punti cardinali: est (E), il punto in cui sorge il Sole nei giorni degli equinozi; l ovest (W) il punto in cui il Sole tramonta nei giorni degli equinozi, il nord (N) ed il sud (S) individuati dalla perpendicolare alla retta che unisce E e W. Un tempo per orientarsi si usava la bussola il cui ago indicava sempre la direzione del N; oggi, invece, per orientarsi si preferisce usare il cellulare che è fornito di GPS (Global Position System) che ti fornisce le coordinate geografiche del punto dove ti trovi e la direzione da seguire per raggiungere la meta. La superficie terrestre viene suddivisa da linee immaginarie: i paralleli e i meridiani. I paralleli sono circoli determinati dall intersezione della superficie terrestre con piani perpendicolari all asse di rotazione. Il parallelo di circonferenza massima è l Equatore che suddivide la Terra in due emisferi: quello Nord o Boreale e quello Sud o australe. I paralleli sono 180, 90 a N dell Equatore e 90 a S. I meridiani sono delle circonferenze che tagliano la superficie della Terra in una sorta di spicchi passanti per i due Poli. Rispetto a ciascun meridiano vi è il corrispondente opposto chiamato antimeridiano. I meridiani sono 360, 180 meridiani e 180 antimeridiani. L intersezione dei meridiani e dei paralleli, dunque, determina il reticolo immaginario chiamato reticolato geografico, in esso il parallelo fondamentale è l Equatore ed il meridiano fondamentale è quello di Greenwich. La longitudine di un punto è la distanza angolare tra il meridiano passante per quel punto e il meridiano di Greenwich. La latitudine di un punto è la distanza angolare tra il parallelo passante per quel punto e l Equatore. Per facilitare le comunicazioni tra le nazioni e uniformare gli orari all interno di ciascuna di esse, si è deciso di dividere la Terra in 24 spicchi, o fusi, tanti quante sono le ore. Ogni fuso è delimitato da due meridiani che distano tra loro 15 di longitudine. L ora è la stessa per tutte le località di uno stesso fuso. Quando si passa da un fuso all altro si aumenta un ora procedendo verso E, si diminuisce di un ora andando verso W. La linea del cambiamento di data corrisponde all antimeridiano di Greenwich. La superficie terrestre è rappresentata mediante le carte geografiche, che sono rappresentazioni approssimate, ridotte e simboliche della superficie terrestre su un piano. La riduzione delle misure sulla carta rispetto ai valori è indicata da una scala. Un mappamondo è una rappresentazione realistica del globo terrestre. Si tratta di una vera e propria rappresentazione in scala, che possiede una notevole proprietà: i rapporti tra distanze e i rapporti tra superfici sul mappamondo sono uguali a quelli sulla Terra.
Nelle carte geografiche non è così, dato che è impossibile rappresentare senza distorsioni una superficie sferica su di un piano. Una carta geografica è molto più utile di un mappamondo. È molto più maneggevole e, spesso, rappresentando solo una piccola porzione della superficie terrestre, quella relativa al territorio che ci interessa, è molto più dettagliata. Una carta geografica è una rappresentazione approssimata e simbolica della superficie terrestre. Ha dimensioni ridotte rispetto al vero e l entità della riduzione è indicata dalla scala. La scala rappresenta il rapporto tra le dimensioni di un oggetto sulla carta e nella realtà. Nelle carte geografiche il rilievo si può esprimere tramite le curve di livello, o isoipse, cioè delle linee ideali che uniscono tutti i punti che hanno la stessa altezza sul livello del mare. Le isoipse sono tanto più vicine quanto più il pendio da rappresentare è ripido.