Il notturnale

A nostro avviso, saper “leggere” le ore di notte con la semplice osservazione del cielo stellato, è un’esperienza stimolante e un’occasione per conoscere i principali movimenti della sfera celeste e del Sole.

Un orologio stellare (notturlabio o notturnale) è di facile costruzione, richiede materiali “poveri” (cartoncino, forbici, colla, riga e compasso, ecc…), abitua alla precisione, implica la comprensione pratica della relazione tra misura del tempo e misura di ampiezze e lo studio del suo funzionamento porta alla comprensione del moto annuo apparente del Sole sulla volta celeste.

Immaginiamo un grandissimo orologio in cielo, dotato di una sola grande lancetta, e che abbia il perno nella stella Polare. Immaginiamo anche che la lancetta sia allineata con le due stelle Dubhe e Merak dell’Orsa Maggiore (dette anche I Puntatori) e “solidale” con il loro moto apparente diurno.

Osservando il cielo ad intervalli di mezz’ora nel corso della stessa notte ci si accorgerà facilmente che le due stelle, e quindi anche la lancetta immaginaria come pure tutta la regione di cielo che circonda la stella Polare, sembrano ruotare in senso antiorario attorno alla Polare ⁽¹⁾. Questo moto apparente della sfera celeste è causato dal moto di rotazione terrestre. Le due stelle percorreranno un’intera rotazione attorno alla stella Polare in circa 24 ore.

Osservando invece le due stelle alla stessa ora ma nel corso di notti successive si noterà un’importante fenomeno. Per apprezzarlo si dovrebbe attendere un passaggio delle due stelle al meridiano superiore (o inferiore) e registrare l’ora dell’evento. Di giorno in giorno, si noterà un anticipo del passaggio al meridiano di circa $4$ minuti rispetto al giorno precedente. Dato che la nostra registrazione avviene utilizzando un orologio che segna un tempo solare, il fenomeno è spiegabile come un piccolo “slittamento” quotidiano in senso antiorario delle stelle rispetto alla posizione del Sole. O meglio, è il Sole che, nel suo moto apparente annuo rispetto alle stelle fisse, percorre l’eclittica verso oriente di circa un grado al giorno (corrispondente a $4$ minuti di tempo). Meglio ancora: è la Terra che orbita attorno al Sole per cui ci sembra che il Sole si muova verso occidente (moto diretto) rispetto allo sfondo di stelle fisse. Vedi: Terra e Sole, giorno solare, giorno siderale.

Il notturnale sfrutta la conoscenza di questo percorso annuo apparente del Sole rispetto alle stelle fisse per fornirci l’ora solare in base al giorno dell’anno e alla posizione delle stelle. Ci sono due momenti “speciali” dell’anno che serviranno per costruire il notturnale:

1. Ogni 5 marzo, alla mezzanotte locale (intendo le 24 dell’ora legale, CET nel nostro caso), le due stelle Dubhe e Merak si allineano all’incirca verticalmente al di sopra della stella Polare. Esse transitano al meridiano superiore all’incirca in questo momento.
2. Sei mesi dopo, verso la mezzanotte del 7 settembre, le due stelle si troveranno al lato opposto, al di sotto della stella Polare, ma sempre allineate verticalmente (passaggio inferiore).

Questi due fenomeni sono indipendenti dalla longitudine dell’osservatore. Un qualsiasi osservatore in grado di vedere L’Orsa Maggiore, da qualsiasi longitudine, vedrà questi allineamenti all’incirca alla sua mezzanotte del 5 marzo e alla sua mezzanotte del 7 settembre ⁽²⁾ .

Però, come abbiamo detto, la posizione del Sole rispetto alle stelle cambia continuamente nel corso dell’anno. Esso si sposta rispetto alle stelle fisse di circa un grado al giorno (anticipando di 4 minuti circa il passaggio ad un meridiano) in senso antiorario guardando verso Sud (in senso orario guardando verso Nord). Alla mezzanotte successiva (6 marzo), Dubhe e Merak si troveranno un grado più a oriente rispetto alla verticale, e così via nelle notti seguenti. In questa prospettiva, avremo uno spostamento orario del Sole e quindi dovremo “tarare” di conseguenza lo zero del disco orario che va spostato in senso antiorario di un grado per ogni giorno trascorso dalla data del 5 marzo. Per semplificare, per ogni mese trascorso da quella data il quadrante va ruotato di due ore che corrispondono a $30^\circ$ gradi.

Il cerchio orario si sovrappone al cerchio calendario e il suo indicatore delle ore zero dovrà essere posizionato sulla data attuale per indicare quale dovrebbe essere la direzione di Dubhe e Merak alle ore zero.

Se queste due stelle si trovano lontane dalla direzione delle ore zero, significa che non è mezzanotte. La distanza angolare tra la direzione delle due stelle e la direzione dell’ora zero ci indicherà l’ora di osservazione.

Vediamo come utilizzare lo strumento.

• si dispone l’indicatore delle ore zero del cerchio orario sulla data attuale del cerchio calendario;
• il cerchio calendario è mantenuto verticale secondo l’asse indicato dalla maniglia sottostante e dalle due date del 5 marzo e 7 settembre. Dev’essere puntato in direzione della stella polare e inclinato di circa 45° verso gli occhi dell’osservatore. Detto in altre parole il piano dello strumento deve essere perpendicolare alla direzione della stella Polare.
• Attraverso il foro centrale dello strumento si deve vedere questa stella.
• Si ruota l’alidata in modo che il suo bordo utile sia allineato con le stelle Dubhe e Merak. Questo stesso bordo utile indicherà l’ora sul cerchio orario.

Nel caso del disegno rappresentato qui, se l’alidada è stata allineata, sono le ore 19 del 10 gennaio.

Vedi anche: https://astro.unl.edu/mobile/big-dipper-clock/index.html

In base ad osservazioni simili a queste furono ideati gli orologi stellari detti anche notturnali. Se ne conservano a Firenze ad opera degli artiginani Della Volpaia e pare siano basati su di una stella dell’Orsa Minore. Se ne conservano a Liegi e al Museo Navale di Venezia.

---

Note

1. In realtà le stelle ruotano attorno al polo nord celeste che attualmente è situato a poco meno di un grado di distanza dalla stella Polare.
2. In realtà, la posizione delle stelle dipende dall’ora media locale (LMT) la quale, a sua volta, può essere determinata con precisione conoscendo la distanza in longitudine (costante di longitudine) tra la posizione dell’osservatore e il meridiano centrale del fuso. Per ogni grado di longitudine ad est rispetto al meridiano centrale si contano 4 minuti di anticipo, viceversa per le longitudini poste a ovest. Nel caso dell’Italia, ad esempio, se un osservatore si trova a Catania (15° di longitudine, cioè sul meridiano centrale) e annota l’allineamento verticale alle ore 24 circa, un osservatore di  Lecce (circa 18° di longitudine) osserverebbe l’allineamento 12 minuti prima e un osservatore di Torino (7°30′ di longitudine) annoterebbe l’allineamento addirittura 30 minuti più tardi. Si trascura volutamente la differenza tra ora del fuso e ora media locale perché la questione ci porterebbe troppo lontano dallo scopo di questo articolo. In ogni caso non possiamo pretendere che il notturnale proposto qui ci fornisca una lettura molto precisa del tempo. Altri fattori, quali le difficoltà di posizionamento a mano dello strumento e la capacità di visione notturna sono fonti di errori nella lettura del tempo che superano di gran lunga l’errore dovuto alla costante di longitudine.
3. E’ facile individuare una notevole semplificazione nella costruzione del cerchio calendario: i mesi non hanno la stessa lunghezza e l’ampiezza di un giorno è minore di un grado. L’ampiezza di un settore corrispondente ad un giorno è di $\text{0,9863}^\circ$ (cioè $360^\circ/365$).  Le questioni descritte in sintesi nella nota precedente dovrebbero bastare per convincerci che non ne varrebbe la pena… Per una descrizione dettagliata di come costruire un buon circolo delle date vedi la costruzione dell’astrolabio o dell’equatorium.

 
Ringrazio Giuseppe Rolfo, Paolo Sirtoli e Elsa Stocco per gli utili suggerimenti.