Il cielo dei navigatori - Note
Da Commissione Divulgazione - Unione Astrofili Italiani.
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Vecchi metodi, ma sempre più precisi
Nel lungo periodo in cui fu messa a punto la navigazione astronomica, le vecchie tecniche della navigazione antica e medioevale vennero perfezionate. Nel nostro secolo, con l'introduzione della radio e del radar, queste tecniche, pur rimanendo concettualmente immutate, hanno fatto un ulteriore salto di qualità.
La navigazione lungo costa
I vecchi portolani vengono sostituiti dalle carte nautiche che sono più ricche di particolari costieri, ottenute con regole precise di proiezione cartografica e, soprattutto, inserite in un reticolato di coordinate geografiche.
Una carta nautica della costa americana degli anni 30
Nell'800 gli Stati moderni affidano ad appositi istituti nazionali il compito di rilevare, redigere e distribuire le carte nautiche. Nel nostro paese è l'Istituto idrografico della Marina.
Il "Peloro" ed il suo uso
Se alla carta si accompagna il "peloro" (una sorta di quadrante azimutale dotato di bussola) si può determinare la posizione della nave, misurando la direzione di almeno due particolari costieri ben riconoscibili e riportando sulla carta le corrispondenti rette di direzione. La nave si trova nel punto d'incontro di queste due rette.
Codici luminosi dei fari americani negli anni 30
Un'estensione di questo tipo di navigazione fu realizzata con l'introduzione dei Fari dotati di luci lampeggianti diversamente per frequenza e durata, in modo da poter essere riconosciuti, di notte, come e meglio dei particolari costieri.
Uno dei primi modelli di Radiobussola
La radio rappresentò un'ulteriore estensione: i radio fari sono riconoscibili anche quando la costa è ancora troppo lontana o non è visibile a causa della nebbia; quello che serve è una carta con le loro posizioni ed una radio bussola con la quale si determina la direzione del segnale.
L'antenna della stazione LORAN dell'isola di Jan Mayen (Norvegia)
I sistemi di radiolocalizzazione
Attualmente esistono diversi sistemi di radiolocalizzazione, ovvero sistemi in grado di determinare la posizione dell'osservatore, dotato di un ricevitore, utilizzando le onde radio. Alcuni di questi sistemi, i più recenti, sono basati su una rete di satelliti orbitanti attorno alla Terra, in grado di assicurare la copertura di tutto il pianeta. Altri, sviluppati negli anni sessanta, ma ancora in uso, sono basati su stazioni radio a terra. Il più usato è il LORAN-C. Si basa su un certo numero di stazioni radio, sparse in tutto il mondo e raggruppate in "catene", ciascuna delle quali si compone di una stazione "master" e di stazioni "slave", in numero variabile da due a cinque e sincronizzate, mediante un orologio atomico, con la stazione master. La posizione di tutte queste stazioni, nonchè le frequenze di trasmissione e tutti i particolari tecnici necessari sono ovviamenti noti ai naviganti. Periodicamente la stazione master invia un segnale a cui fanno seguito i segnali delle stazioni slave. L'apparato ricevente, a bordo di una nave, è dotato di un orologio sincronizzato con quello delle stazioni emittenti ed è quindi in grado di calcolare la differenza dei tempi di emissione e di arrivo per ogni stazione. Nota la velocità di trasmissione delle onde radio, pari a quella della luce, 300.000 Km./sec, si può infine calcolare la distanza di ogni stazione. Esistono infiniti punti sulla Terra che, in un determinato istante, misurano una certa distanza da una stazione. Essi si trovano tutti lungo una circonferenza che ha, al centro, la stazione emittente. Si determinano così tanti cerchi di posizione quante sono le stazioni considerate e, soprattutto, ricevute. La nave si trova all'intersezione di questi cerchi; già con due il problema può dirsi risolto se si conosce, con una certa approssimazione la posizione della nave o se uno dei due punti cade sulla terraferma e può quindi essere scartato.
Quello descritto è il modo più semplice di utilizzare le stazioni LORAN, per maggiori dettagli consultate i siti consigliati. Il sistema si caratterizza per la semplicità e per il basso costo di impianto e di esercizio, se lo si confronta con i costi e le difficotà tecniche dei sistemi satellitari, ma non permette una copertura gobale del pianeta (ogni stazione ha una portata di circa 1000 miglia nautiche) ed ha una precisione inferiore, dell'ordine del centinaio di metri, nelle migliori condizioni di esercizio.
La navigazione stimata
Per praticare questo tipo di navigazione bisogna registrare attentamente la direzione e la distanza percorsa dalla nave, dopo la partenza dall'ultimo porto noto. [[|]]
Carta mondiale della declinazine magnetica nel 1940 (le linee
congiungono i punti ad uguale declinazine magnetica]
La direzione viene misurata con la bussola di cui i marinai hanno diffidato, e con ragione, per secoli, non essendo disponibile una conoscenza soddisfacente del suo funzionamento fino al XIX secolo. L'ago della bussola si orienta verso il Polo Nord Magnetico, che non coincide con quello geografico e la sua direzione è, inoltre, perturbata da anomalie locali.
Si chiama declinazione magnetica l'angolo che l'ago della bussola fa con la direzione del Nord Geografico. In alcune zone della Terra questo angolo è 0°, ma in altre può superare 50°. Inoltre la declinazione magnetica cambia con il tempo e la sua variazione non è del tutto prevedibile, per cui, a distanza di qualche anno, le misure devono essere ripetute ed i dati pubblicati nuovamente. ]][[|]]
A bordo sono molte le cause che possono falsare la lettura della bussola; la maggiore è rappresentata dalla massa metallica dello scafo. Lo strumento va mantenuto orizzontale, protetto e compensato. La speciale custodia (binnacle), in cui viene alloggiato, assolve a tutte queste funzioni.
La distanza percorsa viene misurata con il solcometro. Il solcometro moderno è un oggetto che, per la sua forma, quando viene trascinato dalla nave ruota e questa rotazione viene trasmessa ad un contatore meccanico, elettrico o elettronico.
Anche il rilievo della profondità ha registrato grandi progressi: fin dagli anni 30 lo scandaglio è stato sostituito dal Sonar. Si ottiene la profondità misurando il tempo necessario al suono per propagarsi nell'acqua, rimbalzare sul fondo e raggiungere nuovamente lo scafo.
60 anni fa il sonar era un'apparechiatura ingombrante e costosa, oggi è uno dei tanti accessori, presenti anche su piccole imbarcazioni che fornisce, oltre alla profondità un vero e proprio profilo tridimensionale del fondo.
Negli anni quaranta venne introdotta un'altra apparecchiatura ausiliaria: il radar. Oggi, miniaturizzato, è presente anche su i piccoli pescherecci e le barche da diporto. Con il radar si ottiene la distanza ed un profilo tridimensionale della costa.
La navigazione stimata in inglese si chiama Dead Reckoning che, letteralmente, significa stima morta ossia navigazione alla cieca e questo la dice lunga su quanta fiducia i marinai nutrissero per questo tipo di tecniche di navigazione. La moderna tecnologia ha reso affidabili e desiderabili queste tecniche.
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Sole, Stelle e Latitudine
Viene definita latitudine di un luogo l'angolo compreso tra l'equatore celeste (EQ) e lo zenit (Z), che è il punto d'incontro della sfera celaste con la verticale del luogo. Purtoppo in cielo non sono riconoscibili nè l'equatore nè lo zenit e questa definizione non è operativa.
Gli angoli EQEZ ed NEPNC sono uguali perchè complementari dello stesso angolo ZEPNC
Osserviamo però che quest'angolo è uguale a quello compreso tra l'orizzonte ed il Polo Nord Celeste, poichè sono entrambi complementari dello stesso angolo ZEPNC, compreso tra lo Zenit ed il Polo Nord Celeste.
Quest'ultimo è, in prima approssimazione, contrassegnato dalla stella polare e basterà quindi misurare la sua altezza per conoscere la latitudine di un luogo.
A causa della sfericità della Terra, osservatori in luoghi diversi (e quindi con diverse coordinate geografiche) misurano coordinate altoazimutali diverse per lo stesso astro, osservato contemporaneamente.
Se un astro culmina sul meridiano comune di due osservatori alla stessa longitudine, ma a diversa latitudine, di esso viene misurato lo stesso azimut, pari a 180 ° e la differenza delle altezze meridiane è pari, in valore assoluto, alla differenza delle latitudini.
|alt2 - alt1| = |LAT2 - LAT1|
Possiamo così trovare la latitudine di un luogo se conosciamo la latitudine di un altro luogo e se veniamo a sapere l'altezza alla culminazione di un astro in entrambi. Questo metodo non è di grande utilità per un viaggiatore, ma ci indica che, con oggetti in meridiano, la relazione tra latitudine ed altezza è senz'altro semplice.
Consideriamo ora una qualunque stella, Sole compreso, in culminazione meridiana:
L'altezza meridiana dell'astro è uguale alla somma della sua declinazione e dell'inclinazione dell'Equatore sul piano dell'orizzonte.
L'Equatore forma con l'orizzonte un angolo pari al complemento della latitudine, per cui:
Alt = 90° - LAT + DELTA LAT = 90° - Alt + DELTA
La declinazione è una coordinata del sistema equatoriale e quindi uguale per tutti gli osservatori. Se si tratta di una stella possiamo considerarla costante nel tempo (almeno in prima approssimazione), se si tratta del Sole, la sua declinazione riassume ogni anno, alla stessa data, lo stesso valore, per cui può essere ricavata da un calendario astronomico, conoscendo la data dell'osservazione.
Non è facile misurare in mare, con la nave in moto, l'altezza meridiana di un astro, perchè la bussola non riesce ad indicare con sufficiente precisione la direzione Nord-Sud, e perchè, non conoscendo esattamente la longitudine, non si conosce il momento esatto della culminazine.
Sulla terraferma è invece una misura facile che è stata possibile fin dall'antichità con uno strumento molto semplice: lo Gnomone. Esso consiste in un bastone, un obelisco, una colonna. Si determina, prima di tutto, la direzione Nord-Sud, ossia la linea meridiana.
Al mattino l'ombra dello gnomone è lunga e diviene sempre più corta via via che ci si avvicina alla culminazione, cioè il mezzogiorno solare vero locale. Dopo mezzogiorno, nel pomeriggio, l'ombra torna ad allungarsi, ma nel momento della culminazione la sua lunghezza varia pochissimo, mentre varia velocemente la sua direzione. Insomma non è possibile determinare la direzione Nord-Sud come la direzione dell'ombra più corta, senza commettere grossolani errori. Gli antichi ricorrevano al metodo dei cerchi dell'Indo: poichè ad uguali intervalli di tempo, prima e dopo la culminazione, il Sole ha la stessa altezza sull'orizzonte, ombre uguali dello gnomone individuano la direzione dell'astro in questi istanti e queste direzioni sono simmetriche rispetto alla direzione meridiana. La direzione Nord-Sud resta così determinata dalla direzione della bisettrice dell'angolo formato da due ombre di uguale lunghezza.
Quando l'ombra del bastone si proietta lungo la linea meridiana determiniamo, contemporaneamente, l'istante della culminazione e la lunghezza meridiana dell'ombra.
Il rapporto h/l tra l'altezza del bastone e la lunghezza della sua ombra è la tangente trigonometrica dell'angolo che si vuol misurare. Si può ricavare l'ampiezza di quest'angolo senza fare ricorso alla trigonometria: si disegna un triangolo rettangolo con i cateti in scala rispetto alle misure di h ed l e si misura, con un goniometro, l'angolo compreso che, per la similitudine dei triangoli è perfettamente uguale all'altezza meridiana del Sole.
Potete consultare in rete l'annuario dell'Osservatorio astrofisico di Arcetri per ottenere la declinazione del Sole nei vari giorni dell'anno.
Johann Werner
Johann Werner nacque a Norimberga il 14 Febbraio 1468 e morì, sempre a Norimberga, nel Maggio 1522. Studiò ad Ingolstadt e poi si spostò a Roma, dove venne ordinato prete.
Ritratto di Johann Werner in un'incisione degli inizi del XVII secolo
Nel 1503 fu nominato parroco di una piccola chiesa fuori Norimberga, ma poco dopo gli venne affidata la Chiesa di San Giovanni. Werner, nel 1514, pubblicò un insieme di lavori a carattere matematico, astronomico e geografico e, discutendo del metodo delle eclissi di Luna per valutare le longitudine, suggerì di utilizzare anche la posizione della Luna tra le stelle, o la distanza della Luna dal Sole, come "segnale orario" per conoscere il tempo del luogo di riferimento del sistema di longitudini. Nel volgere di qualche anno questa proposta venne ripresa da Pietro Apiano e Gemma Friso.
Werner suggeriva di utilizzare la balestriglia, uno strumento non molto preciso per determinare la posizione della Luna, ma ben noto ai naviganti del tempo per misurare l'altezza della stella polare e quindi la latitudine.
Una balestriglia (Museo di Storia della Scienza a Firenze
Scrive Werner:
Sia il nostro scopo quello di trovare la distanza in longitudine tra due luoghi distanti. Il geografo si recherà in uno di questi luoghi e misurerà con la balestriglia la distanza della Luna da una stella dell'Eclittica. Se poi dividiamo questa distanza per il moto della Luna in un'ora sapremo quando la Luna sarà in congiunzione con questo corpo, e quando ancora in futuro.
Il metodo suggerito da Werner non è per niente originale. Un metodo del genere era già stato utilizzato da Amerigo Vespucci che riferiva la posizione della Luna non alle stelle ma al pianeta Marte. Inoltre la teoria del moto della Luna era molto rudimentale e non era possibile preparare effemeridi sufficientemente precise, pertanto il metodo suggerito da Werner era per lo meno prematuro.
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