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ATTIVITA’ EDUCATIVA. Misura dei cambiamenti atmosferici durante un'eclissi di Sole. (Eclissi Totale di Sole del 13 Novembre 2012)

Autori:

Mr. Miguel Ángel Pío Jiménez. Astronomo dell'Istituto di Astrofisica delle Canarie. Dr. Miquel Serra-Ricart. Astronomo dell'Istituto di Astrofisica delle Canarie. Mr. Juan Carlos Casado. Astrofotografo di tierrayestrellas.com, Barcellona. Dr. Lorraine Hanlon. Astronoma dell'University College Dublin, Irlanda. Dr. Luciano Nicastro. Astronomo dell'Istituto Nazionale di Astrofisica, IASF Bologna. Dr. Davide Ricci. Astronomo dell'Istituto Nazionale di Astrofisica, IASF Bologna.

Collaboratori: Dr. Eliana Palazzi. Astronoma dell'Istituto Nazionale di Astrofisica, IASF Bologna. Mrs. Emer O Boyle. University College Dublin, Irlanda.

1. Obiettivi dell'attività In questa attività osserveremo i cambiamenti atmosferici che si verificano durante un'eclissi di Sole. In particolare vedremo le variazioni di temperatura dovute alla diminuzione della radiazione solare causata dall'oscuramento del disco del Sole da parte della Luna durante un'eclissi solare totale. Per queste osservazioni utilizzeremo una stazione meteorologica situata in Australia.

Gli obiettivi sono: ○ Comprendere la fenomenologia di base delle eclissi. ○ Applicare la matematica (algebra) e la fisica di base (termodinamica) per effettuare misure

di temperatura e radiazione da una stazione meteo. ○ Sviluppare, capire e applicare le tecniche di analisi statistica di base (calcolo degli errori). ○ Lavorare in modo coordinato, come parte di un team, valorizzando i contributi individuali.

2. Strumentazione Per svolgere l'attività prevista verrà utilizzata una stazione meteorologica munita di sensori per la

misura della temperatura e dell'intensità della radiazione solare. Gli studenti avranno accesso a dati acquisiti in tempo reale oppure, successivamente, a dati archiviati in un database. Uno strumento web sarà disponibile per consentire agli studenti di svolgere l'attività. 3. Descrizione del fenomeno 3.1 Che cosa è una eclissi?

L'eclissi è il temporaneo oscuramento di un corpo celeste causato dall'interposizione di un altro corpo tra il primo corpo e la fonte d’illuminazione. Nel seguito considereremo eclissi si verificano nel sistema Sole-Terra-Luna, dove il termine eclissi si applica a due fenomeni molto diversi:

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1. l'eclissi solare, che si verifica quando la Luna passa tra il Sole e la Terra, e la Luna copre del

tutto o in parte il Sole. Questo può avvenire solo in caso di Luna Nuova (Luna tra il Sole e la Terra) e se il Sole e la Luna visti dalla Terra sono perfettamente allineati. In un'eclissi totale, il disco del Sole è completamente oscurato dalla Luna. In un'eclissi parziale o anulare solo una parte del Sole è oscurata.

2. l'eclissi lunare, che si verifica quando la Luna passa nel cono d'ombra creato dalla Terra (rispetto al Sole). Questo può verificarsi solo quando il Sole, Terra e Luna sono perfettamente, o quasi allineati, e con la Terra al centro che oscura la Luna. Quindi, un'eclissi lunare può avvenire solo nelle notti di Luna Piena.

3.2 Condizioni affinché si verifichi una eclissi

Sappiamo che le orbite della Terra e della Luna non sono complanari, quindi per la maggior parte

del tempo la Luna è al di sopra o al di sotto del piano dell'eclittica (il piano su cui giace l'orbita di rivoluzione della Terra intorno al Sole). Perché un'eclissi si verifichi, la Luna deve essere sul piano dell'eclittica, o molto vicino ad esso, e in fase di Luna Nuova (eclissi solare) o Luna Piena (eclissi lunare).

Figura 1: Il piano dell'eclittica e l'orbita della Luna. La “zona critica” indica una striscia entro la quale potrebbe verificarsi un'eclissi. La “linea dei nodi lunari” indica la linea che congiunge il centro della Terra coi punti in cui l'orbita della Luna interseca il piano dell'eclittica (nodi lunari).

Le condizioni in cui le eclissi solari possono verificarsi, succedono due o tre volte l'anno – ogni

173,31 giorni – durante le cosiddette stagioni delle eclissi. L'anno eclissi è il tempo tra due allineamenti di Sole, Luna e Terra ed è di 346,62 giorni. Durante questo periodo ci sono due stagioni delle eclissi.

Le linee dei nodi lunari non hanno un’orientazione fissa, ma ruotano di circa 20° all'anno, facendo un giro completo in 18.6 anni. Ciò significa che le date in cui si verificano le eclissi cambiano ogni anno. Ad esempio, le eclissi del 2001 sono state nei mesi di Gennaio-Febbraio, Giugno-Luglio e Dicembre, le eclissi del 2003 sono state in Maggio e Novembre e quelle del 2006 a Marzo e a Settembre. Il movimento orbitale dei nodi significa che le eclissi avvengono sul piano dell'eclittica.

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Figura 2: Diagramma delle zone di ombra e penombra durante un'eclissi.

3.3 Numero di eclissi per anno

Il numero minimo di eclissi che si verificano ogni anno è 4: 2 eclissi solari e due eclissi lunari.

Il numero massimo possibile di eclissi per anno è 7 e si verifica raramente. Le combinazioni possibili sono:

● 5 eclissi solari e 2 eclissi lunari ● 5 eclissi lunari e 2 eclissi solari ● 4 eclissi solari e 3 eclissi lunari ● 4 eclissi lunari e 3 eclissi solari

3.4 Tipi di eclissi solare

Ci sono diversi tipi di eclissi solare che si distinguono in particolare per la lunghezza del cono

d'ombra della Luna e per la distanza della Luna dalla Terra. Queste sono illustrate nella Figura 3.

1) Eclissi parziale: la Luna è solo in parte davanti al Sole e solo la sua penombra raggiunge la superficie della Terra (vedi figura 3, posizione C). Queste eclissi si verificano sempre alle alte latitudini (nord o sud). 2) Eclissi Anulare: la Luna è troppo lontano dalla Terra perché possa riuscire a coprire completamente il disco del Sole, ma ne blocca comunque la maggior parte della luce, lasciando solo un anello di luce visibile (Figura 3, posizione B). 3) Eclissi Totale: In questo caso la Luna è sufficientemente vicina alla Terra per coprire completamente l'intero disco del Sole bloccandone perfettamente la luce (Figura 3, posizione A).

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Figura 3: Diagramma che mostra I diversi tipi di eclissi in funzione della posizione della Luna rispetto alla Terra. Quando la Terra è nella regione (A) si vede una eclissi di Sole totale; in (B) si vede una eclissi anulare; in (c) un'eclissi parziale.

Vale la pena sottolineare che le eclissi solari si vedono sulla Terra solo per la felice coincidenza

che, in alcuni momenti durante l'anno, le dimensioni angolari della Luna e del Sole sono identiche. Centinaia di milioni di anni fa la Luna era troppo vicino alla Terra per coprire perfettamente il Sole così come possiamo osservare oggi. Le forze di marea provocano un aumento dell'orbita della Luna attorno alla Terra di circa 3.8 cm all'anno quindi, in poco meno di 1.4 miliardi di anni, la distanza Terra - Luna aumenterà di circa 23,500 km. Da quel momento la Luna non riuscirà più a coprire completamente il disco del Sole come visto dalla Terra e quindi l'ultima eclissi totale di Sole sulla Terra si verificherà in circa 1.4 miliardi di anni da ora!

3.5 Come appare un'eclissi

Eclissi parziale: nel corso di un'eclissi parziale ci sono due punti di contatto apparente. Il primo punto è il momento di contatto tra i dischi del Sole e della Luna, che segna l'inizio del fenomeno. Man mano che la Luna prosegue lungo la sua orbita copre una frazione crescente del disco solare, fino a coprirlo completamente, dopo di che il disco pian piano riappare fino a quando è di nuovo completamente visibile.

MOLTO IMPORTANTE – La salute degli occhi: In un'eclissi parziale il Sole è ancora molto brillante è quindi in questo caso necessario applicare le stesse precauzioni adottate normalmente per l'osservazione del Sole.

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La magnitudine di un'eclisse indica la frazione di diametro solare oscurato dalla Luna (Figura 4). La magnitudine può essere espressa sia in percentuale sia frazione decimale (60% o 0.60). Il termine oscuramento si invece riferisce alla frazione della superficie solare coperta dalla Luna (Figura 4).

Figura 4: Magnitudine e oscuramento di un'eclissi solare. La magnitudine è espressa in frazione di diametro solare coperto mentre l'oscuramento in frazione di superficie del Sole coperta.

Eclissi Anulare: Un osservatore di un’eclisse anulare vedrà quattro momenti di contatto apparente tra i dischi solare e lunare. Il primo contatto è il momento in cui entrambi i dischi sembrano toccarsi. Lentamente, in un processo che dura circa un'ora e 30 minuti, il disco lunare sembra coprire completamente la superficie solare, questo è il secondo contatto. Poi ha inizio la fase centrale o di anularità, che si conclude con il terzo contatto. Questa fase, può durare 12 minuti e 30 secondi, circa. Il quarto contatto si riferisce alla fine dell'eclisse.

Eclissi Totale: Anche nell'eclissi totale ci sono quattro contatti apparenti. Il primo contatto e la fase che lo precede sono simili a quelle in un'eclissi anulare. Ma ora, prima del secondo contatto, l'osservatore vedrà un drastico cambiamento della luce solare e di parametri atmosferici quali temperatura e umidità relativa.

Se l'osservatore si trova ad una certa altitudine da cui può vedere lontano potrà osservare l'ombra

della Luna raggiungere ad alta velocità l'orizzonte a Ovest. Poco prima del secondo contatto, quando il Sole è quasi completamente coperto, appare una luce abbagliante che ha un aspetto ad anello di diamante. Poi, prima l'ultima porzione del Sole scompaia, poiché il disco lunare non ha un bordo perfettamente liscio, si possono osservare frammenti di luce, chiamati perle di Baily (Figura 5). La scomparsa degli ultimi frammenti luminosi segna il secondo contatto, cioè l’inizio della fase di totalità, quando la Luna oscura completamente il Sole ed è possibile osservare l'atmosfera esterna del Sole (corona solare, Figura 6).

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Figura 5: Composizione di immagini che mostrano il secondo e il terzo contatto, le perle di Baily, le protuberanze e la corona più interna visti durante l'eclissi del 22 Luglio 2009 osservata dalla città di Chongqing, China. (Foto J.C. Casado / starryearth.com).

Figura 6: Sinistra. Immagine dell'eclissi totale di Sole dell'1 Agosto 2008 come vista da Novosibirsk, Russia. La combinazione di 67 immagini mostra lunghi tratti della corona, le protuberanze, la luce cinerea e le stelle. Destra. Immagine dell'eclissi totale di Sole solare del 23 novembre 2003 come vista a bordo di un aereo in volo sopra l'Antartide. Foto e processamento: JC Married / starryearth.com.

La corona solare (l'atmosfera esterna del Sole), di un intenso colore bianco perlato, mostra

strutture che seguono la disposizione del campo magnetico del Sole. Normalmente essa non è visibile perché è circa 100,000 volte meno intensa della luce solare. Al centro c'è il disco lunare, come un buco nero nel cielo. La forma e la luminosità della corona dipende da dove il Sole è nel suo ciclo di attività

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magnetica che ha la durata di 11 anni. Quando è al massimo la corona ha una simmetria radiale (Figura 6 a destra), mentre quando è al minimo le piume coronali sono asimmetriche (Figura 6 a sinistra).

Nei primi secondi di buio si può vedere della cromosfera del sole (gas) come archi sottili di colore rosso intenso e con protuberanze luminose. Questi scompaiono rapidamente con l'avanzare del disco lunare (Figura 7).

Figura 7: Cromosfera e protuberanze visibili durante l'eclissi totale di Sole del 29 marzo 2006, fotografata dai pressi di Al Jaghbub nel deserto libico. Combinazione di fotografie scattate all'inizio e alla fine della totalità. Immagine: J.C. Casado / starryearth.com.

3.6 Visibilità e durata

Le eclissi totali di Sole non sono un fenomeno così raro come si potrebbe pensare. Tuttavia,

poiché l'ombra della Luna è stretta, esse sono visibili solo in una fascia relativamente stretta sulla superficie terrestre, e da un punto specifico sulla superficie della Terra, come ad esempio una città, solo visibili in media una volta ogni 375. E' quindi generalmente necessario spostarsi per essere nella banda della totalità ed assistere all'intero evento. In media, un'eclissi totale dura circa 3 minuti con un massimo di 7 minuti e 30 secondi.

4. La spedizione del 2012

4.1. L'eclissi totale di Sole del 2012 Dopo più di un anno senza eclissi solari totali (l'ultima ha avuto luogo l'11 luglio 2010) la prossima

ci sarà il 13 Novembre 2012. Il tour dell'ombra della Luna inizierà in Australia e si sposterà verso l'oceano Pacifico. La durata massima dell'eclissi, 4 minuti e 2 secondi, si osserverà alle 22:11 UT nel bel mezzo dell'Oceano Pacifico, con il Sole a 68° sopra l'orizzonte.

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Figura 8: Fascia completa (linee blu) delle zone di visibilità dell'eclisse del 13 novembre 2012, come riportata dalla NASA. Il punto verde indica dove si osserverà la durata massima dell'eclissi. Il punto di osservazione della nostra spedizione sarà vicino alla città di Cairns (Queensland) nel nord-est dell'Australia.

GLORIA trasmetterà l'evento da tre punti di osservazione nel nord-ovest dell'Australia

(Queensland), vicino alla città di Cairns, dove l'eclissi si vedrà con una durata media di circa 2 minuti: ○ G3. Sulla costa, nelle vicinanze di Oak Beach. ○ G2. Nell'interno. Autostrada Rt-81. ○ G1. Nell'interno. Città di Mareeba, dove ci sarà il gruppo di coordinamento e redazione.

(vedi Figura 9)

La spedizione e la trasmissione saranno coordinate e dirette dal Dr. Miquel Serra-Ricart (Astronomo, dell'Istituto di Astrofisica delle Canarie e Direttore dell'Osservatorio Teide).

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Figura 9: Punti di osservazione della spedizione. La linea rossa indica il centro dell'intera fascia. I punti di osservazione si trovano sulla costa e nell'interno (punti rossi G1, G2 e G3).

5. Svolgimento delle attività

5.1 Calcolo della risposta termica dell'atmosfera da misure effettuate durante un'eclissi solare totale

Un effetto interessante che si verifica nel corso di un'eclissi di Sole, più evidente durante un'eclissi

totale, è la diminuzione della temperatura ambientale a causa della diminuzione della radiazione solare o luminosità ambientale (vedi Rif. 8 nel documento di riferimento). La cosa interessante è che il fenomeno non si verifica simultaneamente all'oscuramento totale del Sole (massimo dell'eclissi o secondo contatto), ma è un effetto che si verifica dopo un tempo variabile da 2 a 20 minuti. Questo ritardo di tempo dipende da molti fattori, quali ad esempio l'ora del giorno in cui l'eclissi si verifica, la presenza di sistemi idrici vicini, come un lago o il mare, la vicinanza di aree boschive, è comunque facilmente misurabile. Si determina il momento in cui si verifica l'intensità minima di luce, coincidente con il massimo dell'eclissi (secondo contatto). Poi si determina il momento in cui si ha il minimo di temperatura. La risposta termica dell'atmosfera o l'inerzia termica dell'atmosfera è data dall'intervallo di tempo tra questi due minimi. Gli esercizi descritti di seguito (metodo 1 e metodo 2) possono essere utilizzati per stimare la risposta termica dell'atmosfera.

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Figura 10: Rappresentazione del calo della radiazione solare o luminosità (blu) e della temperatura (giallo) in funzione del tempo osservata durante l'eclissi anulare verificatasi nell'Ottobre 2005.

5.2. Metodo 1: Misura diretta. Valori di pressione, intensità della radiazione e temperatura

La trasmissione in diretta dell'eclissi solare del 13 novembre 2012 vista dall'Australia potrà essere

seguita sul sito web del progetto GLORIA (gloria-project.eu). Contemporaneamente, su un canale web parallelo, si potranno vedere I dati acquisiti da una stazione meteo posta nel punto G1 (Mareeba, Australia). Gli studenti potranno quindi annotare I valori di temperatura ambientale, intensità della radiazione solare e pressione dell'aria, in tempo reale come se fossero di fronte alla stazione meteo. L'intervallo delle rilevazioni dovrà essere periodico e potrà essere deciso dallo studente o dall'insegnante. Si raccomanda che l'intervallo tra due misurazioni non superi i 2 minuti e che sia di 5 secondi quando l'eclissi sarà vicina al massimo (secondo contatto). La figura 10 mostra un esempio dei valori di radiazione solare e temperatura ambientale misurati durante l'eclissi anulare del 2005. In questo caso sono stati utilizzati diversi intervalli di misurazione, inizialmente I dati sono stati presi ogni 5 minuti, poi ogni minuto e, infine, vicino al massimo dell'eclissi, ogni 20 secondi. Questa sequenza di misure è poi stata ripetuta in senso inverso nella seconda metà dell'eclissi. Questo tipo di misurazione è chiamata "campionamento dinamico". Dopo aver fatto le misure, si dovrà procedere con la rappresentazione grafica dei valori registrati per ciascuna delle variabili in funzione del tempo. Questo si potrà fare utilizzando un qualsiasi software che permette la rappresentazione grafica di dati numerici (quali ad esempio Excel, OpenOffice, LibreOffice, Origin, ecc.) in modo da poter vedere l'andamento di ciascuno degli osservabili. Si potranno poi utilizzare

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questi grafici per determinare il momento esatto in cui si verifica il minimo per la temperatura ambientale e per l'intensità della radiazione solare. Determinando la differenza tra I tempi dei due minimi si ottiene il valore di "inerzia termica dell'atmosfera". Per il calcolo esatto dei minimi si può effettuare un fit alla distribuzione dei dati. Sarà compito dell'insegnante se procedere o meno con il fit dei dati, questo argomento non è discusso in questa attività. Dopo l'eclissi sarà disponibile un video con la registrazione completa dei dati acquisiti dalla stazione meteo.

5.3 Metodo 2: Archivio dati

Durante la trasmissione dell'evento, la stazione meteorologica salverà periodicamente (circa ogni

5 secondi) i valori per ciascuna delle variabili discusse in precedenza, in modo che possano essere poi accessibili in qualsiasi momento dal sito di GLORIA (gloria-project.eu). Saranno inoltre forniti strumenti Web per consentire un esame dettagliato dei dati sugli intervalli di tempo scelti. Ad esempio, si potranno selezionare intervalli di tempo da momenti diversi dell'eclissi. I valori d’intensità di radiazione solare e temperatura saranno riportati su un grafico, insieme agli errori associati a questi valori. L'intervallo potrà poi essere modificato, in particolare ingrandito, in modo da poter tracciare dati più dettagliati nell'intervallo temporale selezionato così da ottenere determinazioni più precise dei valori dei minimi per l'intensità della radiazione solare e per la temperatura ambientale. Dopo la selezione dei dati e la loro rappresentazione grafica, è possibile determinare l'inerzia termica dell'atmosfera come descritto in precedenza.

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REFERENZE

1. SERRA-RICART, M. et al. Eclipses. Tras la sombra de la Luna. Shelios, 2000. Libro piacevole e colorato ma comunque rigoroso. Dedicato specialmente alle spedizioni osservative delle eclissi solari totali.

2. GIL CHICA, F.J. Teoría de eclipses, ocultaciones y tránsitos. Alicante University, Murcia, 1996. Trattato sulla teoria delle eclissi e dei corpi oscuranti in generale. Questo libro sviluppa nel dettaglio l'aspetto matematico di questi fenomeni e richiede quindi conoscenze avanzate di matematica.

La letteratura più ampia sul tema è in inglese:

3. ESPENAK, F. Fifty Year Canon of Solar Eclipses: 1986-2035. NASA Reference Publication 1178. Sky Publishing Corporation, Cambridge (USA), 1987. Catalogo di riferimento fatto da uno dei migliori specialisti, Fred Espenak. Contiene dati e mappe dettagliate per tutte le eclissi solari dal 1986 al 2035 e informazioni generali per il periodo 1901-2100.

4. ESPENAK, F. Fifty Year Canon of Lunar Eclipses: 1986-2035. NASA Reference Publication 1216. Sky Publishing Corporation, Cambridge (USA), 1987. Catalogo contenente tutti I dati e le mappe dettagliate delle eclissi lunari dal 1986 al 2035 e informazioni generali per il periodo 1901-2100.

5. MEEUS, J. Elements of solar eclipses 1951-2200. Willmann-Bell, Inc, Richmond (USA). Contiene elementi per 570 eclissi besseliane fra il 1951 e il 2200, che consentono di valutare le circostanze generali e locali delle stesse. Le formule sono stati sviluppate con alta precisione dal Bureau des Longitudes a Parigi. C'è anche una versione su dati registrati, ma deve essere richiesta.

6. GUILLERMIER, P. y KOUTCHMY, S. Total Eclipses. Springer, 1999. Scienza, osservazioni, miti e leggende sulle eclissi, in particolare su quelle totali di Sole. Un grande libro per tutti quelli che vogliono imparare di più sulle eclissi e sulle loro osservazioni.

7. REYNOLDS, M.D. y SWEETSIR, R.A. Observe eclipses. Observe Astronomical League Publications, Washington (USA), 1995. Eccellente lavoro divulgativo e manuale di osservazione che copre tutti gli aspetti di interesse per gli amatori. Si può acquistare dall'editore della rivista americana (USA) Sky and Telescope, Sky Publishing Corporation.

8. JAY ANDERSON. Environment Canada. Weather, Volume 54, Issue 7, pag. 207–215, July 1999. Rivista specializzata nella pubblicazione di articoli scientifici focalizzati sullo studio dell'atmosfera e del clima.

Infine ricordiamo la pubblicazione tecnica della NASA, pubblicata circa diciotto mesi prima di ogni eclissi anulare o totale. Essa raccoglie mappe, grafici, previsioni e informazioni sulle condizioni generali e locali dell'eclissi in questione. Per ulteriori informazioni contattare Fred Espenak, NASA / GSFC, Code 693, Greenbelt, MD 20771 (USA) o via e-mail: espenak@gsfc.nasa.gov