A testa in su per i colori dell’atmosfera: i fenomeni ottici

Iniziano le prime piogge e come sempre succede, molti di noi si fermano ad ammirare gli arcobaleni e a chiedersi.. perché si formano? Già che ci siamo, cosa sono le aurore boreali? Come mai, a volte, al tramonto, si vede una macchiolina verde sul bordo del sole? E, banalmente, perché vediamo il cielo colorato di blu? Sono tutte domande che hanno un’origine comune: i fenomeni ottici dell’atmosfera.

Sappiamo che lo spazio interstellare si presenta nero nonostante sia pieno di luminose stelle, come il nostro Sole. Se non ci fosse l’atmosfera terrestre è così che lo vedremmo anche da casa nostra.

vista orbitale

È così che si vede lo spazio, per esempio, dalla nostra Luna o da Mercurio che non hanno atmosfera. I cieli extraterrestri sono un argomento affascinante e motivo di ispirazioni artistiche.

Torniamo su questo pianeta e rispolveriamo velocemente alcune nozioni di base. L’atmosfera della Terra è composta essenzialmente da azoto ed ossigeno (il 78% e il 21%, rispettivamente) mentre il restante 1% è composto da argon, acqua nei vari stati e, avvicinandosi al terreno, da polveri, ceneri e sali. Le particelle solide e le gocce d’acqua hanno dimensioni decisamente maggiori della lunghezza d’onda della luce solare e la riflettono senza problemi. Le molecole dei gas, invece, hanno dimensioni comparabili con quelle delle lunghezze d’onda della luce. In questo caso la diffusione della luce dipende della sua lunghezza d’onda secondo la legge di Rayleigh.

Negli strati più alti dell’atmosfera, quindi, avviene che la luce di maggiore lunghezza d’onda (rossa, arancione e gialla) riesce a superare l’ostacolo costituito dalle molecole dei gas e prosegue nella sua traiettoria rettilinea. La luce blu invece, che ha una lunghezza d’onda più piccola, viene diffusa (ossia cambia traiettoria in modo disordinato) in tutte le direzioni. Da qui il fatto che noi vediamo il cielo azzurro; la luce blu, ovunque diffusa, oscura tutto il resto.

Questo spiega anche il motivo per cui all’alba e al tramonto il colore predominante sia il rosso. Dovendo attraversare uno strato più spesso di atmosfera (i raggi sono più inclinati rispetto alla superficie terrestre quindi lo spazio da attraversare è maggiore) arrivano solo le lunghezze del rosso, inoltre l’aria degli strati più bassi è ricca di particelle che la diffondono in modo da colorare cielo e nubi e regalarci tante belle sfumature.

bluesky-sunset

Percorso dei raggi solari (immagine di Dave Ansell Science Communication)

Fatte le premesse possiamo passare a fenomeni ottici meno comuni e forse più spettacolari che fanno comunque parte della nostra esperienza con l’atmosfera terrestre.

Iniziamo con un “classicone”: l’arcobaleno. Un arco multicolore, rosso all’esterno e viola nella parte interna, senza transizioni nette tra un colore e l’altro ma comunemente descritto attraverso una sequenza di bande colorate: rosso, arancione, giallo, verde, blu, indaco e violetto. Siamo soliti osservarli dopo che ha piovuto ma è possibile notarli ogni qual volta ci siano goccioline d’acqua in sospensione nell’aria.

Per quanto riguarda la direzione, la luce viene prima rifratta (deviata in modo prevedibile secondo la legge di Snell) quando entra nella goccia, riflessa sul retro della goccia e nuovamente rifratta quando esce dalla goccia. Per quanto riguarda la scomposizione in bande colorate, la spiegazione sta nel fenomeno della dispersione ottica. Le gocce si comportano come piccoli prismi.

Se avete pensato alla copertina di The Dark Side of the Moon avete fatto bene. La luce bianca si separa in diversi colori (corrispondenti alle diverse lunghezze d’onda) all’ingresso della goccia poiché la luce rossa viene rifratta di un angolo minore rispetto alla luce blu. Quando la luce esce, i raggi rossi hanno deviato di un angolo maggiore rispetto a quelli blu ed ogni lunghezza d’onda avrà il suo angolo formando, così, un arco di colori.

La quantità di luce che viene rifratta dipende dalla sua lunghezza d'onda, e quindi dal suo colore.

Dentro la goccia: la quantità di luce che viene rifratta dipende dalla sua lunghezza d’onda e, quindi, dal suo colore.

Non tutti sanno che esistono diversi tipi di arcobaleno e che un gruppo di scienziati atmosferici del National Centre for Meteorological Research di Tolosa ha proposto uno schema di classificazione degli arcobaleni che ne individua ben 12, catalogati in base ai colori.

Quanti di voi hanno visto il raggio verde? Non mi riferisco né al libro né al film, che pure ha ispirato, ma al fenomeno ottico che si verifica appena prima dell’alba o subito dopo il tramonto quando sul disco superiore del sole è visibile una macchiolina luminosa verde che dura pochi secondi. Di solito si verifica se il cielo è terso e non vi sono ostacoli all’orizzonte, come durante un tramonto sul mare, ma si può osservare anche dalle cime delle montagne o sopra le nubi.

Alba e tramonto, come abbiamo visto, sono i momenti della giornata in cui la luce ha un percorso più lungo da affrontare e il Sole, in questi due brevi periodi, appare come una serie di dischi che scompaiono seguendo il grado di rifrazione delle varie componenti spettrali della luce. Svaniscono prima il rosso e il giallo e solo dopo lunghezze d’onda minori come il verde e il blu. Quest’ultimo, però, è preferenzialmente diffratto fuori dalla linea di osservazione e la luce finisce per apparire essenzialmente verde.

raggio verde - atmosfera

Il raggio verde.

Chi ha avuto la fortuna di vedere un’aurora polare sa quali panorami spettacolari riesca a creare in luoghi che spesso sono già suggestivi di loro. Siamo soliti chiamarle aurore boreali perché ci troviamo nell’emisfero nord ma a sud vengono chiamate aurore australi, in entrambi i casi sono osservabili ai poli e nelle zone circostanti (Islanda, penisola scandinava o anche Scozia, qui nell’emisfero boreale).

Caratterizzata da scie luminose, l’aurora polare si forma dall’interazione di particelle ad alta energia provenienti dal Sole (vento solare) con gli atomi neutri dell’alta atmosfera terrestre che vengono eccitati e rilasciano energia sotto forma di luce. Questa assume diversi colori a seconda dei gas presenti nell’aria. L’ossigeno atomico è responsabile del colore verde e l’ossigeno molecolare del rosso, l’azoto causa il colore blu. Il campo magnetico terrestre intrappola queste particelle, incanalandole lungo le linee di campo magnetico.

Il periodo migliore per osservare l’aurora boreale va da settembre a marzo. I colori sono più accesi e intensi in occasione di due fenomeni tra loro connessi: quando si verificano tempeste magnetiche che generano un forte vento solare e quando l’attività del sole raggiunge il suo picco. L’attività magnetica solare varia con una periodicità di undici anni e, dal momento che l’ultimo ciclo è iniziato nel mese di gennaio del 2008, stiamo per entrare in una fase di attività calante. Si prevede che nel 2017 inizi un periodo di circa 3-4 anni in cui osservare aurore sarà più difficile per cui, se potete, approfittatene subito o dovrete aspettare qualche anno!

Aurora su un bacino glaciale © James Woodend (UK) Primo premio assoluto

Aurora su un bacino glaciale © James Woodend (UK) Primo premio assoluto de Astronomy Photographer of the Year 2014.

Esistono tanti altri fenomeni ottici atmosferici come i miraggi, i pilastri di luce, la gloria, gli aloni. La spiegazione del loro verificarsi è sempre la stessa: l’interazione della luce con l’atmosfera e le sue condizioni, nuvole, gocce d’acqua, o altre particelle in sospensione.

C’è chi direbbe che non si può ridurre un tramonto ad una fredda spiegazione fisica. Niente di più sbagliato, è proprio un tramonto che ti spiega che la fisica non è affatto fredda.

Il mio cuore batte più forte quando intravvedo
un arcobaleno nel cielo (William Wordsworth)

Serena Piccardi

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