Tra le ore 12.30 e le 13.30 di giovedì 13, venerdì 21 e 28 giugno, durante il solstizio estivo, sarà possibile assistere ad un fenomeno di grande suggestione nella Cattedrale di Firenze: i raggi del sole scenderanno attraverso la Cupola del Brunelleschi, formando un’immagine del disco solare che andrà a sovrapporsi perfettamente a quella di marmo posta sul pavimento della cappella della Croce, a sinistra dell’Altare Maggiore. E’ dal 1475 che questo fenomeno si ripete nel Duomo di Firenze, grazie ad uno strumento astronomico, il più antico e diffuso, detto gnomone, dal greco “indicatore”, progettato per misurare la posizione del Sole in cielo e determinare la durata dell’anno solare. L’iniziativa, che si svolgerà anche in caso di cielo coperto, è a ingresso gratuito con accesso dalla porta dei Canonici (davanti a via della Canonica) ed è promossa dall’Opera di Santa Maria del Fiore con il Comitato per la Divulgazione dell’Astronomia. Fatto installare nella Cattedrale presumibilmente dal matematico fiorentino Paolo Dal Pozzo Toscanelli, come indicherebbero alcuni documenti conservati nell’Archivio dell’Opera di Santa Maria del Fiore, utilizzato a vicende alterne per oltre 300 anni, lo gnomone del Duomo di Firenze, con i suoi 90 metri di altezza, è il più grande al mondo. Uno gnomone, e' di solito un palo, una colonna o un obelisco la cui ombra permette di misurare la posizione del Sole in cielo, ma può essere, come nel caso del Duomo di Firenze, un foro sulla parete di un ambiente oscurato che produce, all’interno, l’immagine del disco solare.
L’immagine si muove da ovest verso est, a causa del moto apparente del sole da ovest verso est. La sua posizione, rispetto a opportuni riferimenti posti sul pavimento, consente di eseguire accurate misurazioni astronomiche e di determinarne l'esatta durata di un anno solare. La conoscenza della durata esatta dell'anno e la conseguente formulazione del calendario sono stati, infatti, un problema per moltissimi secoli, fin dal mondo classico, e lo strumento astronomico dello gnomone fu un valido aiuto fino al XVIII secolo, quando fu sostituito con i telescopi.
Il momento scelto per il confronto delle immagini è quello del solstizio estivo, perché è il più opportuno per la misura. Nella Cattedrale di Firenze il foro gnomonico e' stato realizzato con una tavoletta di bronzo (la bronzina) recante un'apertura centrale di un paio di centimetri di diametro e posta orizzontalmente all'interno della finestra meridionale del tamburo della Cupola, a 90 metri di altezza dal pavimento. L'altezza dello gnomone e' tale che i raggi del Sole, passanti per il foro, colpiscono il pavimento della chiesa solo dalla fine di Maggio alla fine di Luglio e per pochi minuti prima e dopo mezzogiorno.
In questo periodo l'immagine solare si forma sul pavimento della Cappella della Croce, a sinistra dell'Altare maggiore, dove si trovano, sotto la protezione di lastre di ottone, una linea meridiana finemente graduata e due marmi circolari, uno dentro l'altro, che funzionano da contrassegni solstiziali. Il maggiore, con un diametro di circa 90 centimetri, ha le stesse dimensioni dell'immagine solare al solstizio d'estate. Già a partire dal XVI secolo si registrano solo sporadiche osservazioni astronomiche nel Duomo di Firenze, talvolta neppure basate su chiari obiettivi scientifici; anzi, prevale la preoccupazione per eventuali cedimenti della Cupola e per quasi 250 anni, ipotizzando la costanza dell’altezza del Sole al solstizio, verrà fatto un uso improprio dello gnomone, e cioè di monitorare la stabilità della chiesa verificando, anno dopo anno, il ritorno dell’immagine solare negli stessi punti sul cerchio di marmo solstiziale.
È solo nel 1754 che si torna a parlare di astronomia in Cattedrale, quando Leonardo Ximenes, matematico granducale e gesuita, ottenne i finanziamenti per calibrare lo gnomone e per corredarlo di un’adeguata linea meridiana. Durante il meticoloso rilievo, ricordato anche nella grande lapide posta presso la cappella della Croce, lo studioso si accorse che il pavimento non era perfettamente orizzontale: così una striscia dovette essere livellata per collocarvi la linea meridiana in bronzo nella posizione in cui la vediamo ancora oggi.
Attraverso una serie di misurazioni condotte dal 1755 al 1782, confrontate con le precedenti del 1510, Ximenes riuscì a ottenere un valore della variazione secolare dell’obliquità dell’eclittica vicino a quello attualmente noto. L’osservazione del 1756 si può considerare come l’inizio delle operazioni astronomiche di Ximenes e a questa data si fa convenzionalmente risalire la fondazione dell’Osservatorio Ximeniano all’interno del complesso di San Giovannino degli Scolopi, all’epoca sede del collegio e dell’università fiorentina dei Gesuiti.
Tuttavia dopo la morte di Ximenes (1786) le misurazioni furono scarse e discontinue, e lo strumento cadde nell’oblio. In particolare, durante un restauro, fu rimossa la bronzina. Quando l'allora direttore della Specola, Giovanni Battista Donati ottenne che la bronzina fosse rimontata (1865), fu posta in una posizione leggermente diversa dall'originaria, interrompendo così ogni continuità con le misurazioni di Ximenes. Nel 1927-1928 padre Guido Alfani eseguì altre misurazioni, dimostrando che la Cupola è soggetta a piccole oscillazioni, stagionali e quotidiane, di natura termica.
Ma ormai anche l’uso ingegneristico dello gnomone era inadeguato, e lo stesso Alfani impiegò reali sismografi per sorvegliare, in modo diretto e continuo, ogni più piccola oscillazione della costruzione.
