L’asse vagante, ovvero la rotazione mutevole della Terra

L’asse di rotazione della Terra, lungi dall’essere un riferimento geometrico fisso, oscilla e vaga lentamente sulla superficie del nostro pianeta. L’origine del suo vagabondare può essere una chiave per comprendere meglio il cambiamento climatico

di Gaia Soldati

Like a rolling stone

Tanto tempo fa, in una galassia lontana lontana… anzi, nella nostra galassia, si formava il sistema solare dal collasso gravitazionale di una nube di gas. Il sistema solare neonato aveva un sacco di momento angolare, una quantità che descrive la tendenza degli oggetti a mantenere il moto di rotazione. Come conseguenza, i pianeti che si andavano formando ruotavano tutti nello stesso verso. Poiché non c’è un granché nello spazio che possa rallentare le cose, una volta che un corpo inizia a ruotare di solito continua a farlo. Ecco perché ci ritroviamo oggi coi piedi su una sfera rocciosa! Essa gira intorno al proprio asse a 1600 km all’ora e intorno al Sole ad una velocità 100 volte più alta!

L’asse è mobile, qual piuma al vento

In realtà la forma della Terra è solo approssimativamente sferica. Ha uno schiacciamento ai poli ed un rigonfiamento all’equatore, sul quale Sole e Luna esercitano un’attrazione gravitazionale. Questa attrazione tende a raddrizzare l’asse rispetto al piano dell’orbita sul quale è inclinato di 23° e 27’.

La Terra, ruotando intorno al proprio asse, si oppone a questa duplice attrazione. Il risultato è che il suo asse si muove nello spazio come farebbe quello di un trottola. Questo moto è quasi circolare e viene chiamato precessione luni–solare. Poiché l’attrazione di Sole e Luna varia, ad esempio al variare della loro distanza dalla Terra, al semplice moto conico dell’asse terrestre si sovrappongono delle piccole oscillazioni, dette nutazioni.

Precessione e nutazione descrivono il moto del nostro pianeta nello spazio. Tuttavia l’asse istantaneo di rotazione si muove anche rispetto alla superficie terrestre, o rispetto all’asse principale di inerzia (asse di simmetria passante per il baricentro).

Il moto dell’asse di rotazione terrestre, il cosiddetto moto del polo, avviene su scale temporali diverse. Nel breve termine consiste in un moto a spirale: combinazione di una componente ellittica con periodo 1 anno e una componente circolare con periodo di circa 14 mesi, detta oscillazione di Chandler.

Sul lungo termine, nel XX secolo il polo ha avuto una deriva secolare verso sud lungo la longitudine 75°ovest (cioè verso il Canada) di circa 10 cm all’anno.

La posizione istantanea del polo terrestre Nord è il punto in cui l’asse di rotazione della Terra interseca la superficie nell’emisfero settentrionale. E’ determinata da un organismo chiamato IERS (International Earth Rotation and Reference System Service) tramite tecniche satellitari basate sulla stima della posizione geocentrica dei satelliti. Per ricostruire il moto del polo prima degli anni ‘70 si utilizzava invece la posizione relativa delle stelle.

Da cosa dipende il moto dell’asse di rotazione terrestre?

Poiché le componenti del moto del polo hanno scale temporali diverse, possiamo supporre che diversi siano i fenomeni ad originarle.

Nel caso dell’oscillazione di Chandler, è stato dimostrato che è causata da una combinazione di fluttuazioni di pressione sul fondo oceanico e di variazioni di pressione atmosferica. I due fenomeni sarebbero responsabili rispettivamente di 2/3 e 1/3 dell’effetto, ma la loro importanza relativa può variare nel tempo.

Per quanto riguarda la deriva del polo di più di 10 metri osservata nell’ultimo secolo, gli scienziati della NASA hanno identificato tre processi su larga scala, ognuno responsabile di circa 1/3 del fenomeno.

• Fusione dei ghiacci, in particolare quelli della Groenlandia che, per motivi geometrici, hanno un impatto maggiore. L’aumento di temperatura globale di circa 1°C rispetto ai livelli preindustriali ha trasferito una massa enorme dalla superficie della Terra agli oceani.
• Sollevamento post-glaciale, ritenuto il maggiore responsabile del moto del polo sul lungo termine. E’ in grado di spiegare solo il 30% di questo moto nell’ultimo secolo.
• Convezione nel mantello, cioè la circolazione di materiale indotta dal calore del nucleo terrestre, simile a quella di un pentolone di zuppa che ribolle se messo a scaldare sul fornello.

Diventa quindi possibile distinguere le cause su cui abbiamo poco o nessun controllo da quelle di origine antropica, relative al cambiamento del clima.

Moto dell’asse di rotazione terrestre e cambiamento climatico

Lo stretto legame fra moto del polo e cambiamento climatico nel recente passato è testimoniato da un altro caso significativo.

Nel secolo scorso la deriva del polo era in direzione del Canada. A partire dal 2000 ha deviato bruscamente, puntando verso la Gran Bretagna. Questo repentino cambio di direzione è dovuto all’altrettanto rapida diminuzione del contenuto di acqua nei continenti, col conseguente trasporto di massa su scala globale verso gli oceani. Dalla seconda metà del 1900, infatti, la quota di ghiacciai persa ogni anno è cresciuta a una velocità sempre maggiore, con un aumento del 57% dagli anni ‘90 al 2017. Questa accelerazione è dovuta al surriscaldamento di atmosfera e oceani. La fusione dei ghiacci artici e antartici spiega solo 2/3 della perdita di acqua totale. Il resto è dovuto alla diminuzione della quantità di acqua immagazzinata nei continenti (in particolare l’Eurasia), soggetti a impoverimento degli acquiferi e siccità. La fisica degli oggetti rotanti ci dice che le latitudini che più influenzano il moto dei poli sono quelle vicine ai +/- 45°. Tali regioni corrispondono proprio alle aree dove è più evidente la perdita di acqua.

E i terremoti come contribuiscono?

Tutte le instabilità rotazionali della Terra sono causate da variazioni del momento d’inerzia. Tale grandezza misura la resistenza di un corpo, in questo caso la Terra, a ruotare rispetto ad un asse di riferimento. Il momento d’inerzia dipende dalla distanza delle masse dall’asse di rotazione: più le masse sono lontane dal centro, maggiore è il momento di inerzia. Imponenti spostamenti di massa, sia sulla superficie della Terra che al suo interno, possono modificare il momento d’inerzia. Tra le varie cause possibili ci sono i terremoti. Diversi studi hanno rivelato che due sono gli effetti fisici riconducibili ad essi.

Primo: poiché alcuni terremoti spostano grandi masse di roccia dalla superficie verso il centro della Terra, tendono a renderla più compatta diminuendo così il momento d’inerzia. Per la legge di conservazione del momento angolare – una forma di conservazione dell’energia – quando la rotazione terrestre accelera parallelamente la durata del giorno diminuisce.

Secondo: globalmente i terremoti inducono un moto del polo in direzione 140° E, opposta a quella osservata. Ciò risulta dal fatto che i terremoti più forti sono solitamente terremoti di subduzione , conseguenza dell’immersione di una placca tettonica oceanica sotto una continentale. Nell’ultimo secolo questi terremoti si sono concentrati prevalentemente nelle zone di subduzione del Pacifico occidentale.

Per quanto riguarda l’entità di questi effetti, un singolo forte terremoto è in grado di deviare istantaneamente il moto del polo di qualche decina di cm al massimo. Inoltre è in grado di accorciare la durata del giorno di pochi microsecondi, con conseguenze per noi impercettibili.

Gli tsunami possono contribuire?

Poiché i terremoti più forti si registrano in corrispondenza delle zone di subduzione, spesso essi generano degli tsunami. Può la propagazione di un’onda di tsunami – con la ridistribuzione di una grande massa d’acqua che comporta – influenzare il moto del polo? Nel caso del terremoto di Sumatra del 2004 (di magnitudo 9.3), la variazione temporale del moto del polo, calcolata sulla base dello tsunami generato, è qualitativamente in accordo con quella osservata (ha la forma di un gradino), ma anche in questo caso 100 volte più piccola.

Ricapitolando

Le irregolarità mostrate dalla Terra nel suo moto di rotazione possono essere spiegate come effetto di molteplici cause, dall’attrazione gravitazionale esercitata dai corpi celesti agli spostamenti di massa interni al pianeta e sulla sua superficie. Ne segue che una interpretazione comprensiva deve tenere conto di una moltitudine di aspetti che vanno dalle caratteristiche e dalle dimensioni dei diversi gusci che compongono il nostro pianeta ai fenomeni che modificano anche solo uno di essi. Da qui l’importanza di considerare la Terra come un insieme delicato e complesso, in cui la salvaguardia delle varie “geosfere”, dalla Terra solida, all’idrosfera, alla criosfera e all’atmosfera, è di vitale importanza per garantire l’equilibrio degli ecosistemi dell’intero pianeta.

Per approfondire: 

• S. Gross, The excitation of the Chandler wobble
• Adhikari et al., What drives 20th century polar motion?
• L. Chen et al., Rapid ice melting drives Earth’s pole to the east
• F. Chao et al., Changes in the Earth’s rotation and low-degree gravitational field induced by earthquakes
• Spada, Why are earthquakes nudging the pole towards 140° E?
• Soldati et al., The effect of global seismicity on the polar motion of a viscoelastic Earth
• R. Pisani et al., Effects of transient water mass redistribution associated with a tsunami wave on Earth’s pole path