LA LUNA: TRA FISICA E MITO
Gli effetti della Luna sulla Terra: le maree
Gli effetti dell'attrazione gravitazionale generata dalla Luna sulla Terra sono visibili. Anzitutto, come abbiamo già detto, la Terra ruota attorno al centro di massa del sistema Terra-Luna. Ci sono però fenomeni che risultano più osservabili, come le maree.
Con marea si intende un moto periodico di grandi masse d'acqua, che si innalzano (alta marea) e abbassano (bassa marea) con frequenza giornaliera o maggiore. Questo effetto è osservabile solo su ampie quantità di acqua, quindi coinvolge principalmente oceani e mari.
La differenza del livello d'acqua può arrivare a 10-15 metri.
Fisicamente ci possiamo domandare: da cosa sono causate le maree?
Esse sono l'effetto più tangibile dell'influenza esercitata dal Sole e dalla Luna sul nostro pianeta e sono quindi causate in maniera diretta dalla forza di gravitazione universale. La Luna gioca un ruolo più importante nel fenomeno, infatti il Sole, anche se più massivo del nostro satellite, dista dalla Terra 400 volte più della Luna, con la conseguenza che essa farà sentire la sua influenza 2,2 volte di più.
La forza gravitazionale lunare agisce in due modi sulle maree, uno diretto e uno indiretto:
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esercita un'attrazione gravitazionale sull'acqua;
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è causa della forza centrifuga, dovuta alla rotazione del sistema Terra-Luna attorno al proprio centro di massa.
Tali forze hanno effetto maggiore sulla massa liquida poichè questa, a differenza di quella solida, è più soggetta alle deformazioni.
Per spiegare il fenomeno, consideriamo per semplicità il sistema Terra-Luna trascurando gli altri corpi del sistema solare. Chiamiamo A la superficie terrestre più vicina alla Luna, mentre B sarà la parte opposta.
In A la forza gravitazionale è maggiore che in B, in quanto essa è inversamente proporzionale al quadrato della distanza. Viceversa, B risente di un'accelerazione centrifuga maggiore, infatti essa è proporzionale alla distanza dal centro di rotazione (il centro di massa). I due effetti si compensano perfettamente nel centro della Terra.
In A quindi, la risultante delle forze è diretta verso la Luna, mentre in B è diretta in senso opposto.
Ne consegue un sollevamento del mare sia sul lato della Terra rivolto verso la Luna, sia sul lato opposto (la cosiddetta "seconda gobba" della marea). Ecco perché l'alta e la bassa marea si alternano all'incirca due volte al giorno, e non una come potrebbe suggerire un'analisi superficiale. Viceversa in altri due punti, diametralmente opposti, avremo due abbassamenti.
Risultando dalla cancellazione di due forze quasi uguali tra loro, l'intensità della forza di marea è alquanto minore di quella di ciascuna delle due forze prese singolarmente (matematicamente parlando, si tratta di un effetto di secondo ordine). Sulla superficie della Terra essa vale circa un decimilionesimo della forza di gravità. Tale forza, apparentemente piccolissima, è però sufficiente a produrre effetti giganteschi a causa dell'enorme massa d'acqua su cui agisce.
I livelli d'innalzamento delle acque si fanno sentire particolarmente vicino le coste e possono raggiungere anche i 15 metri, mentre in mare aperto o in mari chiusi come l'Adriatico, toccano il metro di altezza.
C'è da dire infine che oltre ad agire sulla massa liquida questo fenomeno influenza anche il moto di rotazione della Terra. Infatti la Luna trascinando con sè le acque, agisce come un freno sul nostro pianeta, con il risultato di farne rallentare il periodo di rotazione, e dunque la durata del giorno, che va crescendo sempre più anche se in maniera impercettibile.
Una delle zone europee maggiormente influenzata dalle maree è la zona di Mont Saint Michel (Francia). Le persone del luogo si sono abituate a vivere in simbiosi con il mare e organizzano le proprie giornate in modo da non farsi cogliere impreparati.
Classificazione delle maree
Torniamo a considerare il contributo del Sole alle maree. Seppur minore di quello della Luna, esso tende ad aumentarne o diminuirne l'effetto. In maniera analoga a quanto studiato per la Luna, possiamo intuire che la forza di attrazione gravitazionale generata dal Sole faccia "gonfiare" la massa d'acqua sulla superficie terrestre rivolta verso il Sole, mentre la forza centrifuga dovuta alla rivoluzione della Terra attorno al Sole causa un rigonfiamento nella parte opposta.
Questi effetti, più piccoli di quelli lunari, incrementano la forza di marea quando Sole, Terra e Luna risultano allineati (in novilunio e plenilunio). Si parla in questo caso di maree vive o equinoziali. Quando invece la Luna si trova nelle fasi di primo e terzo quarto il Sole contribuisce in maniera opposta alla Luna, andando a mitigarne gli effetti; si parla allora di maree morte o quadrature.
Mont Saint Michel
Attenzione: oggi il mare ricoprirà questo parcheggio. Prego ritirare il vostro veicolo prima delle 19.
Maree - Allontanamento della Luna dalla Terra
Grazie a precise misurazioni condotte attraverso l'esperimento Lunar Laser Ranging, che si avvale dell'impiego di un raggio laser che viene riflesso da un sistema di specchi appositamente collocato sulla superficie lunare durante le missioni Apollo, si è avuta la conferma che la Luna si sta allontanando dalla Terra. Il fenomeno dipende paradossalmente dall'attrazione reciproca tra pianeta e satellite.
Ecco in breve quel che accade.
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L’attrazione esercitata dalla Luna sulla Terra provoca le maree. Il sollevamento delle masse d’acqua oceaniche crea sulla superficie terrestre una vera e propria protuberanza. Questa protuberanza, a sua volta, esercita una forza di attrazione sulla Luna.
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La Terra ruota intorno al proprio asse in un giorno, mentre la Luna ruota intorno alla Terra in quasi 28 giorni. A causa di questa differenza di velocità, la protuberanza che si è formata sulla Terra si trova sempre più avanti rispetto alla Luna. La forza di attrazione che la protuberanza esercita sulla Luna (rimasta indietro a causa della sua minore velocità di rivoluzione intorno alla Terra) tende a “trascinare” il satellite, costringendolo ad aumentare la sua velocità.
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Poiché per la legge di Keplero a velocità maggiore corrisponde un’orbita maggiore, ecco che l’orbita della Luna aumenta di dimensione. In pratica, si allarga e il nostro satellite si allontana.
Non c'è comunque da preoccuparsi per il momento, la Luna si allontana di 3,8 cm all'anno. A questo ritmo tra 500-1000 milioni di anni la distanza tra Terra e satellite sarà aumentata del 5% rispetto a oggi e non sarà più possibile osservare eclissi di Sole totali, in quanto la Luna sarebbe talmente piccola da non riuscire a coprire l'intero disco solare.
Il fenomeno delle maree non causa solo l'allontanamento della Luna, ma anche il rallentamento della rotazione terrestre. Infatti la protuberanza dovuta alle maree, oltre che a trascinare avanti la Luna nella sua orbita, trattiene la Terra aumentando il periodo di rotazione. Anche in questo caso l'effetto è piuttosto piccolo: si parla di circa 2 millisecondi per secolo.
Lunar Laser Ranging
Il Lunar Laser Ranging è un esperimento che prevede l'utilizzo di un raggio laser al fine di misurare la distanza Terra-Luna nella maniera più precisa possibile.
Un laboratorio appositamente attrezzato sulla Terra emette un raggio laser piuttosto potente diretto verso un punto preciso della Luna. Durante le missioni lunari del 1969-1971 vennero installati sulla superficie lunare degli specchi riflettori catarifrangenti, sui quali il raggio proveniente dalla Terra viene riflesso e rimandato verso l'osservatorio.
La distanza viene calcolata approssimativamente utilizzando la velocità della luce:
Il fattore 1/2 viene introdotto come correzione relativistica alla formula classica. Infatti a velocità uguali o prossime a quelle della luce, si sperimenta che le leggi newtoniane della dinamiche non sono più valide e vanno invece sostituite con quelle relativistiche introdotte da Einstein. La formula che consideriamo non tiene però conto di molti altri fattori che influenzano la misura: il moto relativo Terra-Luna, la rotazione della Terra, la librazione lunare, altri effetti relativistici, le condizioni atmosferiche, etc.
Il tempo impiegato dal raggio per tornare sulla Terra è di circa 2,5 secondi, anche se cambia continuamente per diversi motivi. La distanza media calcolata con tali dati risulta essere 384 467 chilometri, con un errore nell'ordine del millimetro.
Questo esperimento ha permesso di confermare che:
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la Luna si sta allontanando dalla Terra al ritmo di 3,8 centimetri all'anno;
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la costante di gravitazione universale G è stabile, in quanto è variata di pochissimo nell'ultimo mezzo secolo;
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l'orbita lunare è in accordo con diverse predizione della relatività generale di Einstein.
