Navigazione astronomica

Tecniche e strumenti

Fin dalla preistoria l'uomo volse lo sguardo alle stelle per orientarsi nello spazio e nel tempo, riconoscendo in esse delle guide stabili e sicure.

Tuttavia, la tecnica e gli strumenti antichi non permettevano  di ricavare dall'osservazione della volta celeste un punto nave stimato, infatti "non esistono elementi in grado di attestare la pratica di una vera e propria navigazione astronomica nell'antichità, cioè una navigazione condotta con strumenti che consentissero di stabilire la posizione della nave in mare sulla base dei soli riferimenti astronomici."

Gli antichi navigatori del mediterraneo usavano la volta celeste come una bussola, il cui ago era la Stella Polare, che forniva loro una direzione di riferimento fissa e facilmente individuabile.  Le costellazioni fondamentali per la 'ricerca della Polare' sono l'Orsa Maggiore e l'Orsa Minore, formate da stelle circumpolari, che quindi non scendono mai sotto la linea dell'orizzonte: "da questa constatazione è derivata l'immagine letteraria delle Orse che ≪non si bagnano mai nell'Oceano≫, come ricordano Omero nel passo riportato sopra (Odissea, V, 273-275) e Virgilio (Georgiche, 1, 246)."

Con la definizione dei punti cardinali la Stella Polare acquista ulteriore importanza perché è quasi coincidente con il polo settentrionale celeste, è quindi un ottimo riferimento per il nord. Se con la successiva scoperta del campo magnetico terrestre e l'invenzione della bussola, strumento meno preciso ma più pratico, la Stella Polare non era più l'unico riferimento, parallelamente venivano sviluppate tecniche e strumenti che permettono una navigazione astronomica completa.

L'obiettivo della navigazione astronomica è di determinare il punto nave stimato, cioè il punto in cui l'osservatore si trova sulla superficie terrestre nel sistema di coordinate geografiche. A questo scopo è necessario mettere in relazione l'osservazione dell'astro e le sue coordinate celesti al sistema di coordinate terrestri.

Piano fondamentale: piano dell'equatore, cioè il piano perpendicolare all'asse di rotazione terrestre passante per il centro della terra.

Poli: polo nord e polo sud, cioè i punti di intersezione tra l'asse di rotazione terrestre e la superficie terrestre rispettivamente nell'emisfero boreale e australe.

Reticolato geografico: paralleli, linee di intersezione tra la superficie terrestre e piani perpendicolari all'asse di rotazione terrestre; meridiani, semicircolo massimo di intersezione tra la superficie terrestre e piani passanti per l'asse di rotazione terrestre.

Coordinate: latitudine (φ),misura angolare dell'arco di meridiano compreso tra il parallelo passante per il punto e l'equatore; longitudine (λ), misura angolare dell'arco di equatore compreso tra il meridiano passante per il punto e il meridiano fondamentale (Greenwich).

I sistemi di coordinate celesti definiscono un punto sulla superficie della sfera celeste, cioè una sfera cava di raggio infinito il cui centro coincide con il centro della terra e sulla cui superficie sono idealmente proiettati i corpi celesti.

Il sistema altazimutale è relativo alla posizione dell'osservatore.

Piano fondamentale: piano dell'orizzonte astronomico, perpendicolare alla verticale del luogo dell'osservatore e passante per il centro della terra.

Poli: zenit e nadir, cioè i punti d'intersezione tra la verticale del luogo dell'osservatore e la sfera celeste, rispettivamente nella semisfera superiore e inferiore.

Coordinate: altezza (h), misura angolare dell'arco di circolo verticale compreso tra l'astro e l'orizzonte astronomico; azimut (az), misura angolare dell'arco di orizzonte astronomico compreso tra il circolo verticale passante per l'astro e l'intersezione meridionale tra il piano dell'orizzonte astronomico e il meridiano locale dell'osservatore.

Il sistema uranografico equatoriale è solidale alla sfera celeste, quindi le coordinate delle stelle rimangono invariate.

Piano fondamentale: piano dell'equatore terrestre, l'intersezione tra questo piano e la sfera celeste è detto equatore celeste.

Poli: polo nord celeste e polo sud celeste, cioè i punti di intersezione tra la sfera celeste e l'asse del mondo (prolungamento dell'asse di rotazione terrestre).

Reticolato geografico: analogo al reticolo terrestre, paralleli celesti e meridiani celesti.

Coordinate: declinazione (δ), misura angolare dell'arco di meridiano celeste compreso tra il parallelo celeste passante per l'astro e l'equatore; ascensione retta (α), misura angolare dell'arco di equatore celeste compreso tra il meridiano celeste passante per il punto e il meridiano celeste fondamentale (quello passante per il punto γ, detto anche punto equinoziale primaverile), si misura in senso antiorario dal punto γ.

Il sistema locale orario è solidale alla terra, quindi le coordinate delle stelle (tranne il sole) variano con un periodo equivalente ad un giorno sidereo.

Il sistema di coordinate orarie locali è simile a quello uranografico, infatti, condividono lo stesso piano fondamentale (piano equatoriale), gli stessi poli (poli celesti) e una delle due coordinate (declinazione).

Coordinate: declinazione ed angolo orario locale (t), la misura angolare dell'arco di equatore celeste compreso tra il meridiano celeste passante per l'astro e il meridiano superiore, o angolo orario di Greenwich (T), la misura angolare dell'arco di equatore celeste compreso tra il meridiano celeste passante per l'astro e la proiezione del meridiano di Greenwitch sulla sfera celeste, si misura in senso orario a partire dal meridiano di riferimento.

L'angolo orario e l'ascensione retta sono quindi legati tra loro e si può passare da un sistema all'altro conoscendo il tempo siderale (TS), cioè la misura angolare dell'arco di equatore celeste compreso tra il meridiano celeste fondamentale e la proiezione del meridiano di Greenwich sulla sfera celeste.

T = TS - α

Tempo siderale, ascensione retta e angolo orario si possono misurare da 0° a 360° o da 00h a 24h.

Punto sub-astrale (PSA): è il punto d'intersezione tra la superficie terrestre e una semiretta immaginaria che ha origine nel centro della terra e passa per l'astro interessato.

Distanza zenitale (Dz): è la distanza angolare sulla sfera celeste tra l'astro e lo zenit o sulla superficie terrestre tra la posizione dell'osservatore e il punto sub-astrale.

Per le stelle fisse o, con le dovute correzioni, anche per gli 'astri erranti' si ha che la distanza zenitale e l'altezza altazimutale sono complementari.

Cerchio d'altezza: è un luogo di posizione[4] i cui punti si trovano alla stessa distanza zenitale dal punto sub-astrale di un astro.

Strumento principe per la navigazione astronomica, è utilizzato per misurare l'angolo di elevazione di un oggetto celeste sopra l'orizzonte, deriva dai più antichi ottante e astrolabio.

L'immagine dell'astro è riflessa dallo specchio mobile sullo specchio fisso che, essendo semitrasparente, permette contemporaneamente di vedere l'orizzonte. Attraverso il cannocchiale quindi si riescono ad allineare le due immagini. Questo è possibile perché lo specchio mobile è solidale con l'alidada (braccio): spostando questa e regolando il micrometro si fanno combaciare le immagini, poi si legge il valore dell'angolo sull'arco graduato.

Molte misurazioni si possono effettuare solo durante i crepuscoli nautici, momenti in cui sono visibili sia l'orizzonte, che di notte non è individuabile, che gli astri, che di giorno non sono visibili.

Sono pubblicazioni annuali dell'I.I.M. (Istituto Idrografico della Marina), contengono almanacchi che forniscono l'ora siderea, il sorgere e il tramonto del Sole e della Luna, orario di inizio e fine dei crepuscoli nautici, l'ora del passaggio in meridiano del Sole e della Luna e posizioni giornaliere sub-astrali di sole, luna, venere, giove, marte, saturno e le 57 stelle più brillanti, in riferimento all'ora di Greenwich.

Per ottenere un punto nave affidabile si cerca l'intersezione fra tre o più cerchi d'altezza.

Il metodo risolutivo è il seguente:

Ricerca nelle effemeridi degli orari del crepuscolo nautico relativo al punto nave stimato attraverso altri metodi di navigazione.

Attesa del crepuscolo, misurazione delle coordinate altazimutali di alcuni astri per mezzo del sestante e annotazione dell'orario GMT delle misurazioni.

Ricerca, nelle effemeridi nautiche, del punto sub astrale degli astri nel momento della misurazione.

Si usano strumenti elettronici come calcolatrici/computer in grado di effettuare calcoli trigonometrici oppure si usano le tavole di soluzione diretta per trovare un luogo di posizione per ogni misurazione.

Su carte nautiche di piccola scala si può approssimare un arco di cerchio d'altezza come un segmento, questo prende il nome di retta d'altezza.

Il punto nave è individuato nella zona d'incertezza, cioè il poligono formato dalle rette d'altezza tracciate.

Un calcolo molto più semplice da effettuare è ricavare la latitudine dall'altezza altazimutale della Polare o del Sole durante il passaggio in meridiano.

Per la Polare si consideri che il punto sub-astrale è, con una buona approssimazione, coincidente con il polo Nord, inoltre si può considerare che i raggi arrivino paralleli sulla superficie terrestre; il cerchio d'altezza (identificato dalla distanza zenitale Dz = 90°-h) di questa stella coincide con un parallelo (identificato da lat = 90°-Dz).

Si ricava quindi che lat = h.

Per il Sole bisogna considerare alcuni fattori in più: i raggi non si possono ritenere paralleli ma va inserito un fattore di conversione (circa 1° alle medie latitudini), il punto sub-astrale è sull'equatore solo durante gli equinozi, negli altri giorni si dovrà anche considerare la declinazione.

Si ricava quindi che lat = 90 - h - 1 + decl.