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Rotation and Nutation of a wobbly Earth

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Misurare e comprendere l’oscillazione terrestre con maggiore precisione

Per millenni ci siamo spostati seguendo le stelle e lo facciamo ancora, ma con più precisione. I GPS, gli orologi atomici e molti altri strumenti che diamo per scontato, fanno affidamento sulla nostra capacità di misurare i movimenti della Terra, sebbene occorra migliorare i modelli esistenti.

Ricerca di base

I sistemi globali di navigazione satellitare (GNSS), tra cui il GPS, ricevono i dati inviati orbitando i satelliti per fornire un posizionamento preciso. I ricevitori, in posizione fissa rispetto alla Terra e rotanti in modo sincrono con il pianeta, seguono i segnali provenienti dai satelliti che si muovono nello spazio. Ai fini della precisione, è necessario conoscere la modalità di rotazione e di spostamento della Terra sotto ai satelliti. Il progetto RotaNut del Consiglio europeo della ricerca è riuscito nell’intento di modellare la nutazione della Terra fino a pochi millimetri, offrendo così informazioni che possono migliorare il livello di precisione degli strumenti basati su orologi atomici e GPS. Tali strumenti si fondano su due quadri di riferimento: il quadro terrestre, fisso rispetto alla Terra e rotante in modo sincrono con il pianeta, e il quadro celeste, immobile nello spazio in cui i satelliti artificiali, tra cui quelli del GPS, si muovono. Come spiega Véronique Dehant, ricercatrice principale: «Il rapporto tra questi quadri risulta complicato dal fatto che la rotazione e l’orientamento della Terra sono soggetti a irregolarità indotte da ridistribuzioni della massa globale che si verificano nel corso del tempo e sotto l’azione di forze esterne, quale l’attrazione gravitazionale del Sole e della Luna». Il progetto RotaNut si prefiggeva di migliorare la modellizzazione della rotazione terrestre per comprendere meglio il ruolo e la natura dell’interno della Terra. «La modellizzazione attuale non tiene pienamente conto delle complessità della Terra. In particolare, l’azione dell’atmosfera e degli oceani sull’orientamento terrestre non è modellata in modo esatto. Ciò potrebbe anche ricondursi al fatto che i meccanismi di accoppiamento ai confini tra nucleo interno, nucleo esterno liquido e mantello non siano ancora sufficientemente compresi per l’esecuzione di una modellizzazione corretta», aggiunge Dehant.

Piccoli spostamenti, un notevole impatto

L’asse di rotazione della Terra si muove nello spazio alla velocità di 1,5 km all’anno a causa della precessione e subisce variazioni periodiche alla velocità di 600 metri, visto dallo spazio in un piano tangente al polo. Le osservazioni esistenti dei quasar dalle antenne fissate alla Terra, utilizzando l’interferometria a base molto ampia permette agli scienziati di misurarle al centimetro. Il termine «precessione» indica la tendenza a lungo termine dell’orientamento dell’asse di rotazione, mentre il termine «nutazione» è il nome attribuito alle variazioni periodiche di più breve termine. Il progetto RotaNut si è soffermato su quest’ultimo aspetto. Tramite la misurazione della nutazione a livello di sub-centimetro, gli scienziati sono in grado di individuare quali elementi della fisica dell’interno della Terra devono essere presi in considerazione in fase di modellizzazione dell’orientamento del pianeta. Tra questi elementi figurano i meccanismi di accoppiamento al confine tra nucleo liquido e mantello viscoelastico.

Svelare quello che avviene nel nucleo della Terra

Dehant, che ha svolto la sua ricerca presso l’osservatorio reale del Belgio, ha la sensazione che si tratti di un momento stimolante per lavorare in questo ambito: «I progressi tecnologici permettono a geodeti e geofisici di rilevare le cause e la portata dei cambiamenti nell’orientamento della Terra». Il progetto ha dimostrato che è necessario tenere conto delle dinamiche che hanno luogo nel nucleo liquido se si intende descrivere in modo preciso l’orientamento della Terra. «Nello studio delle nutazioni all’interno del nucleo, è importante tenere presente le onde inerziali nei fluidi rotanti, associate ai moti rotazionali globali», afferma Dehant. Impiegando un modello di nucleo-mantello interamente accoppiato, il gruppo responsabile del progetto RotaNut è riuscito a esaminare l’accoppiamento al confine tra nucleo e mantello, dedotto dalla nutazione osservata. «I nostri risultati sono rilevanti poiché ci permettono di definire meglio cosa succede nel nucleo durante la modellizzazione delle nutazioni. Sono molto contenta dei risultati ottenuti dal progetto, in quanto i movimenti e la dissipazione nel nucleo potrebbero chiarire l’osservazione». I risultati sono disponibili sul sito web del progetto RotaNut.

Parole chiave

RotaNut, GPS, asse di rotazione, precessione, orientamento, nutazione, GNSS

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