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Perché la terra accelera la sua rotazione se le maree la rallentano?

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Noi esseri umani consideriamo estremamente regolare lo scorrere del tempo. Un giorno dura in media 24 ore, un anno dura in media 365 giorni con un anno bisestile per correggere il calendario. Il nostro pianeta compie il suo percorso orbitale intorno al Sole allo stesso modo, anno dopo anno.

Se prendiamo in considerazione lunghi periodi di tempo, tuttavia, nessuna di queste grandezze è costante. Si manifestano forze e fenomeni che cambiano le proprietà del nostro pianeta. Il Sole e la Luna non solo creano maree sulla Terra, ma queste forze di marea portano piccoli mutamenti all’orbita. Anche gli altri pianeti del Sistema Solare a causa della gravità provocano cambiamenti a lungo termine. E ci sono inoltre fattori interni, dai terremoti al riscaldamento globale, che possono alterare il comportamento della Terra.

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Secondo gli orologi atomici, il 29 giugno 2022 la Terra ha vissuto il suo giorno più veloce negli ultimi 50 anni, che è stato di 1,59 millisecondi più breve delle nostre normali 24 ore.

Se prendiamo in considerazione scale temporali abbastanza lunghe, il più grande mutamento che si verifica è dovuto agli effetti combinati della Luna e del Sole. Tendiamo a pensare che la forza gravitazionale del Sole determina l’orbita ellittica della Terra, mentre la forza gravitazionale della Terra determina l’orbita ellittica della Luna. Ma oltre a questo, dobbiamo considerare che il Sole, la Terra e la Luna non sono punti singoli nello spazio, ma piuttosto sono sfere.

Considerando questa condizione, la forza che la Luna esercita sulla Terra ha un effetto maggiore sul lato più vicino e questo provoca un allungamento. In questo punto la Luna ha una forza centrifuga inferiore. In questo caso si forma l’alta marea. Dall’altra parte della Terra (e quindi nel punto di maggior distanza dalla Luna) la forza gravitazionale è inferiore e la forza centrifuga maggiore: anche in questo caso la differenza tra le due forze determina il fenomeno dell’alta marea. La bassa marea invece, si verifica nei luoghi che si trovano a 90° rispetto ai punti di maggiore e minore distanza Terra-Luna. In questi luoghi le due forze sono indirizzate verso il centro della terra e di conseguenza si manifesta il fenomeno della bassa marea.

La Terra ruota attorno al proprio asse mentre orbita attorno al Sole. Un lato della Terra in rotazione – il lato più vicino alla Luna – subisce una forza leggermente maggiore rispetto al centro della Terra. Nel frattempo, l’altro lato della Terra in rotazione – il lato più lontano dalla Luna – subisce una forza leggermente inferiore rispetto al centro della Terra. La differenza tra queste due forze non solo fa sì che il nostro pianeta abbia le maree, ma fa anche qualcos’altro: agisce un come un freno.

L’effetto può essere piccolo, ma su scale temporali abbastanza lunghe, gli effetti anche piccoli possono sommarsi Questo rallenta la rotazione della Terra, ma la perdita di momento angolare del nostro pianeta deve essere bilanciato e la Luna guadagna il momento angolare allontanandosi dalla Terra.

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Quando osserviamo la combinazione di tutti i cambiamenti che avvengono sulla Terra, il Sole e la Luna, scopriamo che la rotazione della Terra rallenta e il sistema Terra-Luna si allontana lentamente dal Sole mentre la Luna si allontana lentamente dalla Terra.

Ogni anno le forze di marea fanno sì che la nostra giornata si allunghi solo di una piccola frazione di tempo. Ad esempio se la Terra ha impiegato esattamente 24 ore per completare una rotazione esattamente un anno fa, oggi, un anno dopo, ci vorranno 24 ore e 14 microsecondi per completare la stessa rotazione. Questi 14 microsecondi extra al giorno si sommano, tanto che, in media, dobbiamo aggiungere un secondo circa ogni 18 mesi.

Dal punto di vista della geologa, possiamo osservare le tracce che vengono lasciate nel suolo a causa delle maree: ritmiti di marea. Oggi non sono solo prodotti regolarmente sulle coste terrestri, ma sono stati prodotti per l’intera storia della Terra. Ci sono alcuni casi di antichi ritmiti di marea che sono conservati nella roccia sedimentaria degli strati geologici della Terra, e oggi possiamo usare questi ritmiti per determinare quanto tempo ha impiegato la Terra per compiere una rotazione completa quando questi ritmiti sono stati creati. Il più antico che conosciamo si è formato ben 620 milioni di anni fa e ci dice che un giorno in quei tempi durava poco meno di 22 ore.

Ciò significa che, se torniamo indietro fino a quando il sistema Terra-Luna si è formato, circa 4,5 miliardi di anni fa, la lunghezza di un giorno, era compreso tra 6 e 8 ore. La Luna era molto più vicina e quindi più grande del Sole. Ma sebbene questi effetti a lunga scadenza tendano ad allungare la durata del giorno, ci sono effetti interni che lavorano invece per abbreviarla.

Abbiamo accennato a una legge della fisica: la conservazione del momento angolare. Il momento angolare è una misura di due cose combinate contemporaneamente.

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Il momento di inerzia: quanto è grande la massa e come è distribuita, vicino o lontano dall’asse attorno al quale ruota.

La velocità angolare: quanto velocemente un corpo ruota attorno al suo asse.

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Se osserviamo un pattinatore che tiene le braccia tese mentre ruota, la sua rotazione aumenta quando avvicina le braccia al corpo. Questo perché la sua massa rimane costante, ma porta più vicino al suo asse di rotazione una parte di essa; il suo momento di inerzia diminuisce. Per mantenere il momento angolare conservato, la sua velocità angolare deve aumentare e quindi ruota più rapidamente.

Sebbene questi siano cambiamenti facili da vedere, la maggior parte della massa terrestre risiede sotto la superficie.

L’interno del nostro pianeta, è suddiviso più livelli. Lo strato più esterno è la crosta. Sotto la crosta abbiamo il mantello (solido), il nucleo esterno (liquido) e il nucleo interno (solido).

Per quanto ne sappiamo, il nucleo interiore non era sempre presente. All’inizio, c’era più calore interno intrappolato, che si è irradiato nel tempo. Anche se la Terra genera calore attraverso due processi principali – il decadimento radioattivo di elementi pesanti e instabili e la lenta contrazione gravitazionale del pianeta stesso, l’interno della Terra è più freddo che in passato.

Il nucleo solido si è formato solo tra 1 e 1,5 miliardi di anni fa e continua a crescere, poiché la porzione del nucleo esterno che tocca il nucleo interno si solidifica lentamente nel tempo.

All’interno della Terra il centro sta diventando più denso e stabile. Questo è un grosso problema per la rotazione della Terra, perché se c’è più massa che si sposta dalla periferia verso il centro, allora il suo momento di inerzia, proprio come per il nostro pattinatore, sta diminuendo e proprio come per il pattinatore, la sua velocità di rotazione deve aumentare.

Neanche questo avviene sempre in modo fluido e graduale. Certo, la formazione del nucleo interno è probabilmente un processo graduale, ma qualsiasi riorganizzazione di come viene distribuita la massa terrestre cambierà la velocità di rotazione. Questi riarrangiamenti rientrano in due categorie.

I riarrangiamenti sotterranei, che di solito si verificano durante eventi come i terremoti, e tendono ad accelerare leggermente ma notevolmente la rotazione della Terra.
I riarrangiamenti della superficie, in cui il materiale che era tipicamente in un punto a un’elevazione più elevata sulla Terra cade per essere in un punto più basso.

Nel 2011, un terremoto catastrofico si è verificato al largo della costa al largo del Giappone, provocando un tremendo e devastante tsunami. Il terremoto di magnitudo 8,9 ha cambiato la distribuzione della massa terrestre in modo così significativo che la durata del giorno si è ridotta di 1,8 microsecondi. In quello stesso evento, l’isola principale del Giappone, Honshu, si è spostata di circa 8 piedi. Questi riassetti si sono verificati prima e si ripeteranno, con i terremoti che accorciano sempre la giornata.

Anche in questo momento si stanno verificando riorganizzazioni della superficie: i ghiacciai e le calotte polari si sciolgono, in particolare sulle masse terrestri. La calotta antartica, per esempio, è la più grande massa di ghiaccio sulla Terra, che contiene 30 milioni di chilometri cubi di ghiaccio: circa 30 quadrilioni di tonnellate. Si trova, in media, a un’altitudine compresa tra 2400 e i 2700 metri sul livello del mare. Ogni volta che parte di quel ghiaccio si scioglie o si forma nell’oceano, non solo fa salire il livello del mare, ma ridistribuisce la massa terrestre in modo che sia più vicino all’asse di rotazione. I cambiamenti nell’accumulo di ghiaccio e acqua sulla Terra possono essere responsabili sia dell’attuale accelerazione del giorno, sia delle oscillazioni recentemente osservate nella rotazione terrestre.

I cambiamenti che stanno avvenendo nella velocità di rotazione della Terra in questo momento non sono guidati da fenomeni astronomici, ma da fattori che si verificano sia sul pianeta Terra stesso che al suo interno. Se le giornate continuano ad accorciarsi, anziché allungarsi potremmo non solo aver bisogno di rivedere il modo in cui inseriamo i secondi intercalari nel nostro calendario, ma prendere in considerazione la possibilità di sottrarre i secondi intercalari come richiederebbe il cambiamento del giorno. Sarebbero i primi “secondi intercalari negativi” mai introdotti e sarebbero necessari per mantenere il nostro tempo registrato in linea con la rotazione terrestre, una preoccupazione vitale per mantenere i satelliti e altre infrastrutture di comunicazione sincronizzate con il nostro pianeta.

I progressi compiuti negli ultimi anni e decenni dagli orologi atomici hanno consentito una misurazione precisa come mai prima d’ora. Come conseguenza forse non intenzionale, stiamo osservando una conseguenza del tutto imprevista di come gli esseri umani stanno influenzando il pianeta: causando cambiamenti minuscoli ma molto reali e misurabili nella lunghezza di un giorno.

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