PERCHE' IL CIELO E' AZZURRO ANCHE SU MARTE?

(AGGIORNATO A MAGGIO 2010)


fig. 1 Credits NASA/JPL

fig. 2 Editing aggiuntivo: Pianeta Marte.net 

In realtà, non abbiamo ricorso ad oscure e complicate tecniche di editing: il risultato finale ottenuto nel nostro elaborato era esattamente lì, sotto gli occhi di tutti. E' stato però indispensabile rimuovere l'eccesso cromatico aggiunto, crediamo, nel tentativo di "interpretare" Marte secondo una visione forse un pochino forzata e pregiudizievole.

PREMESSA - La grande quantità di immagini a colori ed in bianco e nero che abbiamo a disposizione riguardo Marte - grazie naturalmente allo sforzo tecnico, economico e scientifico compiuto dagli Enti spaziali NASA ed ESA - è diventata oggetto di dibattiti senza fine. Ve ne sono di svariate tipologie: chi vede marziani dappertutto e chi no; ci sono quelli che fomentano voci di complotti ad hoc e chi difende a tutta spada l'operato degli Enti stessi. Ci sono, poi, coloro che, dati alla mano, si rendono conto che "qualcosa non quadra", ma non si schierano ne a favore e ne contro nessuno. 

La nostra posizione è decisamente l'ultima, anche perchè - lo diciamo onestamente - mandare sonde su un altro pianeta costa davvero molti soldi! Non avrebbe nessun senso "occultare" e "manipolare" in mala fede. Tuttavia qualche dubbio che certe informazioni possano venire tenute per il momento "nascoste" può scappare, e non c'è niente di male nel formulare qualche riflessione al riguardo.

Da anni oramai esiste una querelle sui presunti "almost true colors" o "true colors" di Marte. Alcuni sostengono che anche sul pianeta nostro "vicino di casa" il cielo è azzurro più o meno come quello terrestre e non rosso, rosa, giallo, arancione, marrone... come appare in molte immagini a colori pubblicate dalla NASA. Così noi ci siamo chiesti quale problema potrebbe comportare se le cose stessero realmente così. Ebbene, francamente di problemi non ne vediamo nemmeno uno. La ragione? Semplice: si tratta solo di gas e polveri atmosferici che fungono da filtro passa-banda sulla luce solare. Questo fenomeno lo vediamo tutti i giorni sulla Terra. Pertanto se accadesse anche su un altro pianeta (il che è ovvio) quale genere di querelle dovrebbe scatenare? 

La soluzione migliore, mirata e semplice per affrontare l'argomento consiste in quattro passi: 1) far parlare la scienza; 2) raccogliere un discreto campionario di immagini a colori; 3) mettere a confronto dati ed immagini; 4)  tentare di interpretare, nel limite del possibile, le incongruenze. Infine, sulla base delle pertinenti nozioni di fisica, rielaborare le immagini per rimuovere eventuali eccessi cromatici. 

Alcune informazioni che verranno di seguito esposte sono state trattate da personale esperto: un astronomo dell'Osservatorio di Bologna ed un meteorologo dell'Unione Meteorologica del Friuli Venezia Giulia. Premettiamo che NON si tratta di informazione "di parte" e che non c'è nessuna relazione tra Pianeta Marte.net e i rispettivi Autori; di conseguenza, riteniamo si tratti di informazioni veritiere, scevre da mala fede e/o prese di posizione per fini diversi dalla pura informazione. Al termine della trattazione verranno forniti i link originali, affinché ciascuno possa verificare di persona l'onestà di questo articolo. Sappiamo inoltre che il presente articolo (a distanza di 5 anni dalla pubblicazione) è ancora molto letto e discusso nei forum italiani. Ne siamo onorati e ringraziamo sentitamente.

fig. 3 Credits NASA/JPL

fig. 4 Editing aggiuntivo: Pianeta Marte.net 

Anche per questa immagine la rimozione dell'eccesso cromatico è stata un'operazione non eccessivamente complessa! Si possono ben notare le due dominanti cromatiche principali: il terreno rossiccio ed il cielo blu con bassissima opacità atmosferica.

Perchè il cielo è blu ? (semplice) Annibale D'Ercole Osservatorio Astronomico - Bologna

Non c’è dubbio che sia stato proprio il bel colore blu ad ispirare Manzoni nella descrizione, nei Promessi Sposi, di “… quel cielo di Lombardia, così bello quando è bello, così splendido, così in pace”.   Ad un fisico, tuttavia, il cielo pone riflessioni più prosaiche: perché il cielo è blu? E perché il Sole, al tramonto, appare rosso?

Com’è noto, la luce visibile di color bianco proveniente dal Sole è composta dalla sovrapposizione di onde elettromagnetiche di diverse lunghezza d’onda che variano dai 380 nm [1 nanometro (nm) = 1 milionesimo di millimetro] della radiazione che percepiamo come violetta, fino ai 720 nm della radiazione che ci appare rossa, passando per il blu, verde, giallo, arancio. Una volta raggiunta la Terra, un raggio solare interagisce con l’atmosfera. Quest’ultima è composta per il 78% da azoto e per il 21 % da ossigeno.

Sono anche presenti argon, acqua (in forma di vapore, goccioline e cristalli di ghiaccio) e particelle solide (polveri, ceneri dai vulcani e sale dal mare). Gli effetti dell’interazione tra luce ed atmosfera dipendono dalla lunghezza d’onda della radiazione e dalle dimensioni degli oggetti su cui questa incide. Le particelle di polvere e le goccioline d’acqua sono molto più grandi della lunghezza d’onda della luce visibile: in questo caso la luce viene riflessa in tutte le direzioni allo stesso modo, indipendentemente dalla propria lunghezza d’onda. Le molecole di gas hanno dimensioni inferiori e la luce si comporta diversamente a seconda della sua lunghezza d’onda.

La luce rossa ha una lunghezza d’onda maggiore e tende a “scavalcare” le particelle più piccole senza “vederle”; questa luce, dunque, interagisce molto debolmente con l’atmosfera e prosegue la sua propagazione rettilinea lungo la direzione iniziale. Al contrario, la luce blu ha una lunghezza d’onda inferiore e si “accorge” della presenza delle molecole da cui è infatti riflessa in tutte le direzioni (fu Einstein a dimostrare nel 1911, contrariamente a quanto si credeva in principio, che erano proprio le molecole, e non le polveri in sospensione, la causa della diffusione).

Questa diffusione differenziale dipendente dalla lunghezza d’onda è chiamata, in inglese, Rayleigh scattering (da Lord John Rayleigh, il fisico inglese che per primo la descrisse nella seconda metà dell’Ottocento). Più precisamente, la quantità di luce diffusa è inversamente proporzionale alla quarta potenza della lunghezza d’onda. Ne consegue che la luce blu è diffusa più di quella rossa di un fattore (700/400)4 ~ 10.

fig. 6

fig. 7

fig. 8

Proprio nel Rayleigh scattering risiede la risposta alle domande che ci siamo posti all’inizio. Nell’attraversare l’atmosfera, la maggior parte della radiazione di maggior lunghezza d’onda prosegue la sua traiettoria rettilinea. La luce rossa, arancione e gialla viene influenzata solo in minima parte dalla presenza dell’aria. Al contrario, la luce blu è diffusa in tutte le direzioni. In qualunque direzione si osservi, parte di questa luce giunge ai nostri occhi.

Il cielo, pertanto, appare blu. Vicino all’orizzonte il cielo è di un azzurro più chiaro perché la luce, per raggiungerci da questa direzione, deve attraversare più aria e viene diffusa maggiormente; pertanto siamo raggiunti da una minor quantità di luce blu. Le nuvole e la nebbia ci appaiono bianche perché consistono di particelle più grandi delle lunghezze d’onda della radiazione visibile, e diffondono tutti i colori allo stesso modo. Tuttavia, in particolari condizioni, è possibile che in aria si trovino in sospensione particelle più piccole.

Alcune montagne sono famose per le loro foschie blu (ad es. a Les Vosges in Francia). In questo caso gli aerosol di terpene rilasciati dalla vegetazione reagiscono con l’ozono dell’atmosfera formando particelle di circa 200 nm adatte a diffondere la luce blu. A volte, l’incendio di una foresta o un’eruzione vulcanica possono riempire l’atmosfera con particelle delle dimensioni di 500-800 nm. Queste particelle sono pertanto in grado di diffondere la luce rossa, provocando un effetto opposto a quello usuale. In questo caso è la luce rossa ad essere diffusa via dal raggio incidente e questo provoca, in alcuni casi, una colorazione blu della Luna. Questo è un effetto che accade assai di rado e nella lingua inglese è preso ad esempio di evento raro (once in a blue moon, una volta ogni luna blu; l’analogo del nostro “una volta ogni morte di papa”).

Se fossimo sulla Luna, a causa dell’assenza di atmosfera (e della diffusione ad essa connessa), il cielo apparirebbe nero e il Sole sarebbe bianco. Sulla Terra, invece, in conseguenza del Rayleigh scattering, parte della componente blu è rimossa dai raggi diretti del Sole che pertanto ci appare giallo. Questo effetto è amplificato al tramonto, quando il Sole è vicino all’orizzonte. I raggi solari diretti attraversano uno strato maggiore di atmosfera e vengono maggiormente impoveriti della componente blu. Il Sole, dunque, diventa sempre più rosso man mano che il tramonto procede.

Le immagini inviateci dalle sonde Viking nel 1977 e Pathfinder nel 1997 hanno mostrato che il cielo visto da Marte appare rosso. Questo è dovuto alla polvere ricca di ossido di ferro (che appare rosso), sollevata durante le bufere che si verificano di tanto in tanto sul pianeta rosso (come viene appunto soprannominato Marte). Il colore del cielo marziano dipende dunque dalle condizioni atmosferiche. Esso è blu in assenza di bufere recenti, ma risulta comunque più scuro di quello terrestre a causa della minore quantità di atmosfera

fig. 9 Credits NASA/JPL

fig. 10 Editing aggiuntivo: Pianeta Marte.net 

Attenzione a non farsi ingannare dalle apparenze. Dato che il sole è più distante la quantità di luce che giunge su Marte è inferiore a quella che arriva sulla Terra; quindi l'illuminazione diurna sarà meno intensa. Potremmo paragonare il pieno giorno marziano a quando sulla Terra è sera, al primo crepuscolo dopo che il sole è tramontato. 

Commentando questa trattazione del Dr. Annibale D'Ercole appare abbastanza ovvio che, per comprendere il perchè su Marte il cielo è basilarmente blu, necessita capire primariamente il motivo grazie al quale vediamo lo stesso cielo blu sulla Terra. Ricordiamo che le atmosfere di Terra e Marte sono composte da gas che fungono da filtro passa-banda; sulla Terra spesso vediamo il cielo "velato" e biancastro a causa delle particelle d'acqua in sospensione (come nelle giornate afose, dove il tasso di umidità è elevato). Quindi non sono le molecole d'acqua di per sè a rendere il cielo blu, bensì un effetto di filtraggio provocato dai singoli atomi dei gas. Analogamente a Marte, anche sulla Terra vediamo spesso il cielo acquisire un colore rosato, rossastro e a volte rosso; questo è un normalissimo effetto legato alla presenza di polveri sottili, molecole d'acqua e particelle ghiacciate (all'alba e al tramonto). Sulla Terra, quando si verificano le tempeste di sabbia, il cielo acquisterà una temporanea opacità locale a causa della gran quantità di sabbia sollevata (che ricadrà in un tempo relativamente breve). Potrebbe invece acquisire toni rosati se, oltre alla polvere, si sommasse un discreto tasso di umidità, un fenomeno che si verifica molto spesso anche nelle nostre zone.

Nel caso di Marte, la polvere marrone-rossastra sollevata - al contrario delle credenze comuni - potrebbe suggerirci che la sua atmosfera non è tutto sommato così rarefatta, e potrebbe inoltre contenere un tasso di umidità ben maggiore di quanto si pensa. In più, ci siamo accorti che, nonostante le nostre rielaborazioni eseguire sulle immagini a colori, spesso il cielo continua a manifestare tonalità rosate su uno sfondo azzurrino. Quindi, il materiale fin qui esposto costituisce già un motivo valido per non crearsi dei patemi d'animo inutili. Ma lasciamo ancora la parola al dr. D'Ercole. Questa volta occorre possedere nozioni di fisica....


Perchè il cielo è blu ? (avanzato) Annibale D'Ercole Osservatorio Astronomico - Bologna

Se poniamo un elettrone in un punto dello spazio attraversato da un’onda elettromagnetica, questo elettrone comincerà ad oscillare "su e giù" rispetto alla posizione iniziale in risposta al campo elettrico oscillante dell’onda, proprio come farebbe un sughero galleggiante sull’acqua quando è investito da un’onda. Al contrario del sughero, tuttavia, l’elettrone, possedendo una carica elettrica e, emette radiazione la cui intensità I è data da

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dove c è la velocità della luce, e la carica dell’elettrone ed a la sua accelerazione. Dunque un elettrone inizialmente fermo non emette radiazione. Una volta investito da un’onda elettromagnetica, però, l’elettrone sperimenta un’accelerazione alternata della stessa frequenza dell’onda incidente ed emette a sua volta radiazione di frequenza pari a quella del fascio incidente.  In altri termini, la radiazione è "diffusa" in tutte le direzioni. Questa diffusione viene detta Thompson scattering, e la sua efficacia non dipende dalla frequenza della radiazione incidente.

Se però l’elettrone non è libero, ma posto in un atomo (come accade nell’atmosfera), le cose vanno diversamente.  In questo caso l’elettrone (negativo) è legato al nucleo atomico (positivo) tramite una forza elettrica e, per quel che concerne le argomentazioni che seguono, il suo moto può essere assimilato a quello di una molla: l’elettrone oscilla rispetto al nucleo, così come l’estremità di una molla oscilla rispetto alla sua posizione di equilibrio. E' bene, allora, accantonare per il momento, il nostro elettrone e approfondire meglio il comportamento di una molla. Questo ci permetterà di chiarire, successivamente, il problema dell’interazione di un elettrone atomico con un fascio di radiazione incidente. (Si prenda come esempio un Dinamometro, strumento di misura usato in Fisica, costituito da una molla alla quale è possibile appendere piccoli pesi per misurarne la massa - nota di Pianeta Marte.net)

Consideriamo una pallina di massa m posta all’estremità di una molla e tendiamo la molla stessa spostando la pallina fino ad una distanza x dalla posizione di equilibrio. La forza esercitata dalla molla sulla pallina si può scrivere come Fm = - k x

fig. 12 Credits NASA/JPL

fig. 13 Editing aggiuntivo: Pianeta Marte.net 

Ovviamente le nostre elaborazioni sono comunque "interpretazioni". Probabilmente ci siamo avvicinati abbastanza alla reale essenza dell'ambiente marziano. Osservando queste due immagini possiamo notare come la differenza cromatica del terreno e del cielo rischiano di indurci a conclusioni fuorvianti. In particolare si osservi (nella nostra versione) sullo sfondo la presenza di foschia....che su un pianeta a bassa pressione non avrebbe molto senso di esistere. 

La costante k è una caratteristica della molla (dà una misura della sua elasticità) ed il segno negativo sta ad indicare che la forza è sempre indirizzata in senso opposto allo spostamento.  Infatti, quando si tende la molla c’è uno spostamento positivo della pallina su cui la molla esercita una forza di richiamo in senso opposto; se invece comprimiamo la molla lo spostamento è negativo e la molla spinge la pallina di nuovo in senso opposto. Dalla seconda legge di Newton sappiamo che ogni forza, e dunque anche quella esercitata dalla molla, può essere espressa come il prodotto della massa m per l’accelerazione a impressa alla massa dalla forza stessa: F = m a

Dall’uguaglianza di questa espressione con quella data più sopra (F = Fm), otteniamo per l’accelerazione la formula a = - ( k / m ) x

Se ora lasciamo andare la molla, la pallina posta alla sua estremità oscillerà avanti e indietro rispetto alla sua posizione di equilibrio in un intervallo –D < x < D, dove D è l’estensione massima dell’estremità della molla dalla posizione di equilibrio (l’estensione a cui abbiamo sottoposto la molla inizialmente). Si può dimostrare facilmente che il moto della pallina è di tipo sinusoidale e può essere espresso, ad esempio, come x (t) = D cos (ot), dove t è il tempo e o = (k/m)0.5 è connesso alla frequenza di oscillazione o   tramite la relazione  o = 2 pi.gif (837 byte)ni.gif (836 byte)o.


Nota:

In effetti, l’accelerazione è data dalla derivata seconda rispetto al tempo dello spostamento a = d2x / dt2

L’equazione del moto per la pallina all’estremità della molla è pertanto (d2 x / dt2) - o2 x = 0

la cui soluzione generale, com’è facile verificare, è data da x ( t ) = D cos ( ko t + )

In cui D e sono due costanti che dipendono dalle condizioni iniziali.


In conclusione, si può dimostrare che l’accelerazione a cui è sottoposta la pallina dopo che si è "stuzzicata" la molla è

a = o2 D cos ( o t )

(2)

Dunque, il sistema molla+pallina non esegue vibrazioni casuali, ma oscilla ad una ben precisa frequenza ni.gif (836 byte)o, caratteristica del sistema (dipende dalla elasticità della molla e dalla massa della pallina). Molti sistemi fisici reagiscono ad una sollecitazione esterna mettendosi ad oscillare con una propria frequenza caratteristica.  Un pendolo, una volta scostato dalla sua posizione di equilibrio e lasciato poi a se stesso, oscilla con una frequenza legata alla sua lunghezza (pendoli più corti hanno frequenze maggiori). 

E' esperienza comune che è possibile regolare l’ampiezza di oscillazione dell’altalena su cui si è seduti, ma non la sua frequenza; per ottenere oscillazioni più frequenti è necessario ricorrere ad altalene più corte.  Le corde di una chitarra o un diapason rappresentano ulteriori esempi di sistemi fisici che, una volta sollecitati, reagiscono vibrando ad una frequenza ben precisa. Tali sistemi vengono detti oscillatori armonici. (le nozioni sul moto armonico sono tra l'altro reperibili in tutti i testi di fisica delle scuole Medie Superiori - nota di Pianeta Marte.net).

Possiamo ora tornare al nostro atomo e al problema di come esso reagisce una volta investito da un’onda elettromagnetica di data frequenza. Nel contesto della fisica classica (ovvero in assenza di effetti quantistici) un elettrone in un atomo può essere assimilato ad un oscillatore armonico: esso oscilla attorno al nucleo con una frequenza caratteristica, analogamente alla pallina posta all’estremità della molla nell’esempio precedente. La frequenza caratteristica dipende dalla struttura dell’atomo e dalla forza elettrostatica effettivamente esercita tra l’elettrone e il nucleo.

Atomi diversi hanno frequenze caratteristiche diverse. Tuttavia, un elettrone atomico investito da un’onda elettromagnetica rappresenta un problema un poco più complicato rispetto all’esempio della molla dato più sopra. Mentre infatti quest’ultima, dopo la sollecitazione iniziale, è libera di oscillare senza subire ulteriori interferenze esterne, l’elettrone è continuamente sottoposto all’azione del campo elettrico oscillante della radiazione incidente.  In questo caso, oltre alla forza di richiamo analoga ad Fm esercitata dal nucleo atomico, sull’elettrone agisce anche la forza elettrica Fe = eE, dove e è la carica dell’elettrone ed E è il campo elettrico dell’onda elettromagnetica.

Quest’ultimo oscilla ad una frequenza ni.gif (836 byte)e può essere descritto come E ( t ) = Emax cos ( t ) dove  = 2 , ed Emax è la massima intensità raggiunta dal campo elettrico.

In sostanza, F = Fm+ Fe  e, tenendo conto della formula di Newton, l’accelerazione dell’elettrone è data da a = - o2 x + ( Emax / m ) cos ( t ) dove ora m rappresenta la massa dell’elettrone e o la sua frequenza caratteristica.

Questa equazione rappresenta un’oscillazione forzata, ed ovviamente coincide con l’equazione dell’oscillatore armonico in assenza di forze esterne (Fe = 0). Non è difficile mostrare che, nel caso di un’oscillazione forzata, si ottiene

(3)

Dunque, l’elettrone "intrappolato" nel campo elettrico oscillante della radiazione incidente è forzato ad oscillare con la stessa frequenza di quest’ultima anziché con la propria.  Inoltre, ed è questo il punto importante, l’accelerazione massima

 

a cui è sottoposto l’elettrone dipende sia da  che da o. Ponendo x = ( o / la formula precedente può essere riscritta come

Se l’elettrone viene colpito da un’onda elettromagnetica di frequenza simile a quella propria di oscillazione ( ~ o), x  assume valori vicini all’unità; il denominatore nella formula precedente diventa piccolo e l’elettrone subisce un’accelerazione elevata riemettendo (diffondendo) la radiazione in tutte le direzioni. Al contrario, se  e o hanno valori molto diversi, amax è piccolo e l’elettrone sperimenta un’accelerazione così piccola da non essere in grado di riemettere efficacemente (si veda l’equazione 1). Come accennato in precedenza, se comunichiamo ad un’altalena impulsi con una frequenza diversa da quella propria, non siamo in grado di amplificarne le oscillazioni.

In conclusione, contrariamente al Thompson scattering che è indipendente dalla frequenza, gli atomi diffondono più efficacemente la radiazione con frequenza vicina a quella loro propria di oscillazione, mentre risultano “trasparenti” alle onde di frequenza diversa. Questa diffusione selettiva è detta Rayleigh scattering e dà la spiegazione del colore blu del cielo. Le molecole che compongono l’atmosfera hanno frequenze proprie grandi rispetto a quelle della luce visibile (x >>1); dal momento che la radiazione che percepiamo come blu ha una frequenza doppia rispetto al rosso, la luce blu è diffusa molto più efficacemente. Dunque la luce blu ci arriva da ogni direzione, e noi vediamo il cielo blu.

fig. 14 Credits NASA/JPL

fig. 15 Editing aggiuntivo: Pianeta Marte.net 

Ancora una splendida elaborazione la quale evidenzia come, nonostante l'opacità atmosferica sia relativamente bassa, essa è tutt'altro che assente. Tale opacità, prodotta da micro particelle di polvere a bassissima quota, genera quella specie di sottile foschia percepibile nell'immagine da noi elaborata. 

L'affermazione secondo la quale il cielo di Marte è inequivocabilmente rosso, rosa, ecc. potremmo definirla alquanto impropria se assunta come prova basata su colorazioni approssimative adottate in moltissime immagini riprese dalle sonde atterrate al suolo. D'altro canto non sarebbe nemmeno esatto presupporre che l'atmosfera di Marte sia eternamente immersa nella polvere rossa, sopratutto se accettassimo l'idea che tale atmosfera fosse "molto rarefatta"; tanto più che la polvere cade sempre a terra. Se provassimo a riformulare il concetto al contrario, probabilmente saremmo già in grado di chiudere la querelle: "Se non ci fosse la polvere rossa quale sarebbe il colore del cielo di Marte?" La risposta è ovvia: "il cielo di Marte sarebbe blu a motivo dei gas atmosferici".

Allora perchè i tecnici della NASA ci mostrano questo "carnevale" di colori nelle fotografie delle sonde al suolo? Ignoranza in Fisica o incompetenza? Certamente nessuna delle due. Uno dei motivi per cui spesso le immagini appaiono a volte ingiallite, a volte arrossate, a  volte "marronate" ecc... risiede proprio nella natura stessa delle fotocamere. Parlando di Marte, in funzione del grado di illuminazione diurna, dell'incidenza dei raggi solari, della presenza di particolato e umidità a bassa quota, e persino a causa del tipo di terreno, l'immagine potrebbe essere "affetta" da una dominante cromatica non propriamente reale o comunque accentuata in modo eccessivo. E' consigliabile quindi non giudicare in modo troppo irriverente le scelte operative dei tecnici NASA; al limite si potrebbe non condividerle e basta. E sarebbe meglio non addentrarsi troppo nelle logiche complottiste le quali vedono malafede in ogni cosa.

Pertanto, sebbene la calibrazione delle immagini raw non sia esageratamente difficile essa presenta comunque alcune problematiche ambientali; quindi, come abbiamo fatto noi, anche i tecnici NASA tentano di offrire una visione interpretativa del pianeta. La questione di base è che su Marte le condizioni di illuminazione (ovviamente più basse rispetto alla Terra) sono piuttosto mutevoli, così come è mutevole il tasso di opacità atmosferica e di umidità. E, per di più, molte immagini a colori sono state scattate utilizzando filtri la cui frequenza d'onda oltrepassa la percezione visiva dell'occhio umano.

Ma veniamo adesso alla trattazione seguente da parte del meteorologo che affronta lo stesso argomento, sperando che finalmente chiunque visiterà questa sezione di Pianeta Marte.net troverà pace alla propria voglia di capire come stanno le cose.


IL COLORE DEL CIELO  Fulvio Stel Unione Meteorologica del Friuli Venezia Giulia

Il colore azzurro del cielo è il risultato di un meccanismo di interazione tra radiazione e materia che prende il nome di diffusione e che consiste nella dispersione della radiazione in tutte le direzioni.

La diffusione ha luogo quando la radiazione luminosa (ma non solo, infatti vale anche per tutte le onde elettromagnetiche) incide su materia i cui costituenti sono separati tra di loro da distanze che sono maggiori della lunghezza d'onda della radiazione stessa. Per esempio l'alone luminoso che si osserva attorno a una lampadina nei casi di nebbia è proprio causato dalla diffusione della luce da parte delle goccioline che sono i costituenti elementari della nebbia. In questo caso la radiazione proveniente dalla lampadina viene diffusa dalla nebbia in tutte le direzioni. Se le goccioline che costituiscono la nebbia fossero molto più vicine tra di loro, allora la luce non verrebbe diffusa. Infatti l'alone non si osserva se si avvicina una lampadina a una vasca d'acqua (che possiamo immaginare costituita da goccioline vicinissime).

Lo stesso meccanismo avviene anche per la luce solare nell'atmosfera terrestre a un'altezza indicativa di un centinaio di chilometri dal suolo. A quelle altezze, infatti, gli atomi e molecole che costituiscono l'atmosfera sono abbastanza distanti tra di loro da permettere il meccanismo della diffusione, il quale è tanto più efficiente quanto minore è la lunghezza d'onda della radiazione incidente. In altre parole, la luce blu viene diffusa maggiormente della luce rossa. La luce azzurra che noi vediamo provenire dal cielo è quindi proprio la luce blu diffusa dall'alta atmosfera terrestre.

Il meccanismo di diffusione è anche responsabile della colorazione rossastra del cielo all'alba e al tramonto. In questi casi, però, la diffusione non è prodotta dall'alta atmosfera terrestre, ma da polveri, goccioline e aerosol presenti nella bassa atmosfera (fino a 10-15 chilometri di altezza sul livello del mare). Quello che accade è che l'alta atmosfera terrestre diffonde la luce blu, mentre le polveri e le goccioline danno origine alla diffusione della luce rossa lasciata passare dall'alta atmosfera. Questo effetto è evidente al mattino e alla sera perché in questi due momenti della giornata la luce del Sole percorre nell'atmosfera tragitti più lunghi per arrivare fino a noi. Una prova indiretta di questo effetto delle polveri e goccioline è che quando l'atmosfera è particolarmente tersa e limpida, allora i tramonti non sono molto rossi, viceversa quando l'atmosfera è particolarmente ricca di polveri e goccioline i tramonti sono particolarmente belli. Quando il vulcano Pinatubo esplose (nel 1991) per molti mesi seguirono dei tramonti particolarmente suggestivi, vista l'aumentata percentuale di polveri espulse nella media e bassa atmosfera.

fig. 16 Credits NASA/JPL

fig. 17 Credits NASA/JPL

fig. 18 Credits NASA/JPL

Tre immagini originali NASA. Dunque, questo sarebbe uno scorcio del "Pianeta Rosso"? Chiariamo che sui presenti fotogrammi non ci abbiamo messo nemmeno un dito! Evidentemente il "Pianeta Rosso" non è poi così rosso.... Vedremo cosa ci riserverà il futuro...


fig. 19 Credits NASA/JPL

fig. 20 Editing aggiuntivo: Pianeta Marte.net 

Vorremmo proporre una semplice domanda: da quando il colore del cielo è praticamente uguale a quello del terreno? Noi questo lo chiamiamo "effetto occhiali da sole". Ma, una volta tolti gli occhiali il paesaggio cambia notevolmente...

Se ci trovassimo a bordo di una navetta in viaggio verso l'orbita terrestre avremmo la possibilità di assistere allo spettacolare effetto dato dalla graduale diminuzione dello scattering atmosferico. In pratica, il Rayleigh scattering è cumulativo poichè dipende interamente dalla quantità di gas che compongono le atmosfere planetarie e dalla quantità di luce che le attraversa. Man mano che si sale verso lo spazio e diminuisce la densità delle molecole d'aria il cielo diventerà sempre più blu scuro fino a quando sarà completamente nero.

In ultima analisi dobbiamo capire che il "cielo rosso" non è quindi una prerogativa esclusiva di Marte, ma anche della Terra e per le stesse identiche ragioni. E dovremmo altresì comprendere una plausibilissima realtà, cioè che l'atmosfera di Marte non è proprio così rarefatta come si crede comunemente. Sottile? Sì, indubbiamente più sottile della nostra atmosfera. Sono le immagini a parlare. Probabilmente faremmo meglio ad "ascoltarle" un pochino di più...

PER CHI VOLESSE APPROFONDIRE ULTERIORMENTE QUESTO ARGOMENTO RACCOMANDIAMO DI VISIONARE IL MATERIALE CONTENUTO NELLA NOSTRA "MARS GALLERY".

fig. 21 Credits NASA/JPL

fig. 22 Editing aggiuntivo: Pianeta Marte.net 

Qualcuno crede che elaborando e ritoccando i fotogrammi a colori originali verrà sempre fuori il cielo azzurro. Sbagliato! Non è detto che debba essere sempre così. Come detto, tutto dipenderà dalle condizioni di illuminazione, dal tasso di opacità atmosferica e dalla presenza di umidità nell'aria. Quindi...   

fig. 23 Credits NASA/JPL

fig. 24 Editing aggiuntivo: Pianeta Marte.net 

Con tutta sincerità, non proveremmo di certo imbarazzo nel definire l'elaborato originale Viking una "simpatica corbelleria più o meno digitale" o, meglio ancora, "magistrale esempio di sovraesposizione cromatica". Si faccia un confronto e si provi a rispondere a questa domanda: fra le due immagini qual è più realistica?

fig. 25 Credits NASA/JPL

fig. 26 Editing aggiuntivo: Pianeta Marte.net 

Quest'altra immagine originale del Viking è diventata una vera celebrità del web. Noi abbiamo tentato di rimuovere quel leggero filtro giallastro per restituire un aspetto naturale al paesaggio. Il cielo sovrastante potrebbe sembrare un dipinto, giudicato così senza pensarci sopra. In realtà l'effetto a strisce è dovuto alla risoluzione dell'immagine stessa (e forse anche alle conseguenze dell'editing originale). 

fig. 27 Credits NASA/JPL

fig. 28 Editing aggiuntivo: Pianeta Marte.net 

Ed ecco una eloquente evidenza di come le condizioni meteorologiche locali possono suggerire quanto sia incisiva l'opacità atmosferica diurna. La nostra elaborazione evidenzia due particolari situazioni: 1) cielo bianco-rosato equivalente (forse) a polveri sottili e micro goccioline d'acqua in sospensione. 2) Il colorito di quel terreno scuro smosso dalle ruote del Rover (molto simile al fango) potrebbe stare ad indicare probabili tracce d'acqua mischiate al suolo appena sotto lo strato superficiale. 

UN ULTERIORE AGGIORNAMENTO - A distanza di 5 anni dalla pubblicazione dell'articolo e 6 anni dalla nascita di Pianeta Marte.net siamo giunti alla convinzione che la querelle dei cieli azzurri o rossi di Marte è, scientificamente parlando, piuttosto irrilevante. Di per se non significa sostanzialmente nulla se non il fatto di smontare qualche pregiudizio radicato fra certi "Addetti ai Lavori" e molti appassionati un po' troppo suggestionabili dalle chiacchiere di stampo complottista. Ed ora, a conclusione della trattazione, vorremmo proporre ai nostri Carissimi Lettori un paio di immagini recenti che ci mostrano, ancora una volta, un pianeta dove abbondano sabbiose terre desertiche, illuminazione diurna non troppo elevata (il motivo l'abbiamo spiegato) e cieli alquanto saturi di polveri sottili, ma sempre ed inequivocabilmente con fondo azzurro.

fig. 29 Credits NASA/JPL

fig. 30 Editing aggiuntivo: Pianeta Marte.net 

 

 

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