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Vogliamo ripassare la lezione su cosa è il Rayleigh Scattering? In
parole semplici, la luce bianca del sole viene sottoposta ad un
effetto di scomposizione e dispersione da parte dei
singoli atomi di gas atmosferico. Una parte della radiazione
prosegue la sua traiettoria indisturbata, ma la rimanente parte della luce
solare viene riflessa e diffusa nello spazio circostante. Le
frequenze elettromagnetiche del rosso, del giallo e (in minor
misura) del verde
sono quelle che rispettivamente non vengono disperse e riflesse, quelle del blu
invece sì. Ecco perchè noi, di norma,
vediamo il bel cielo azzurro.
Da un
punto di vista forse più psicologico e soggettivo, che razionale e
logico, noi esseri umani abbiamo associato nei nostri schemi mentali
(e
culturali) l'idea del cielo azzurro quale sinonimo di Terra. Ci sono
poi altri fattori, probabilmente, più legati a tradizioni dal sapore folkloristico e/o religioso che associano il colore del cielo azzurro
a qualcosa di "celeste" ovvero elevato, superiore, magari post-mortem (ergo
l'aldilà); in ogni caso non vi è ombra di dubbio che lo stretto legame
intercorrente tra la
natura umana e l'ambiente terrestre è fortissimo. Non occorre
compiere grossi sforzi per comprendere quanto potrebbero essere
incisive le ripercussioni derivanti dal trovarsi davanti a
realtà uguali o simili a quella terrestre, ma situate in altri pianeti.
Certamente non stiamo parlando di suicidi collettivi o guerre di
religione, ma di sentimenti di confusione, forse disagio interiore,
delusione per aspettative mancate... o altro ancora.
La
nostra maturità sta proprio nell'acquisire serenamente maggiori
conoscenze circa l'ambiente non solo terrestre, ma anche
extraterrestre. Impariamo ad apprezzare la bellezza ed il fascino
che possono suscitare anche luoghi fuori dalla Terra, senza farci
sopraffare da ridicoli pregiudizi che ci tramandiamo da tempi
lunghissimi...
L'immagine che vediamo sopra è stata scattata alle ore 7, 00 AM,
verso fine maggio (primavera avanzata). Quando sulla Terra è l'alba
(o il tramonto) i raggi del sole devono attraversare uno spessore
atmosferico maggiore rispetto a quando il giorno è inoltrato. Di
conseguenza le frequenze del blu vengono maggiormente assorbite
(sopratutto se osserviamo in direzione del sorgere del sole fino ad
una certa distanza), mentre vengono disperse e riflesse in maggiore misura quelle del giallo e del rosso. Possiamo notare un
cielo velato di colori misti giallo-arancione-rosa su un tenue sfondo celeste.
Questa immagine è un'autentica "almost true color", perchè la
fotocamera digitale utilizzata, sebbene di buona qualità, non ha
reso esattamente i colori identici a come apparivano all'occhio
umano. Comunque la corrispondenza alla realtà oltrepassa il 90%.
Ed
ecco la nostra lezione di fisica tratta dal link sopra esposto e
debitamente tradotta in italiano.
IL CIELO BLU
Il colore blu del cielo
è causato dalla dispersione della luce solare fuori dalle molecole
atmosferiche. Questa dispersione, denominata Rayleigh Scattering, è
più efficace alle lunghezze d'onda corte (la parte blu dello spettro
visibile). Di conseguenza la luce dispersa e diffusa verso la Terra,
ad un grande angolo rispetto al senso della luce solare, è
principalmente nella parte blu dello spettro.
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Da notare
l'effetto di saturazione del colore blu se osserviamo il cielo
lontano dal sole. Interessante è l'aumento della luminosità
del cielo man mano che si scende verso l'orizzonte.
D'altra parte,
quando osserviamo il cielo in prossimità del sole noteremo il
colore che torna a saturare quasi verso il bianco. Questo
effetto viene definito Mie Scattering e non dipende molto
dalla lunghezza d'onda della luce.
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Le nuvole in
contrasto con il colore blu del cielo appaiono invece bianche
con variazioni di grigio.
Le goccioline
d'acqua che compongono le nubi sono molto più grandi delle
molecole che compongono l'aria. Di conseguenza la dispersione
(scattering) è quasi indipendente dalla lunghezza d'onda della
luce visibile.
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RAYLEiGH
SCATTERING
E' la
dispersione
della luce fuori dalle molecole di gas che compongono l'atmosfera;
può essere estesa alla dispersione prodotta da particelle fino ad un
decimo della lunghezza d'onda della luce visibile. Il Rayleigh
Scattering diffonde fuori dalle molecole dell'aria il colore blu del
cielo che possiamo osservare. Lord Rayleigh calcolò l'intensità
dell'effetto tenendo conto dei dipoli dispersori molto più piccoli
della lunghezza d'onda delle radiazioni luminose:
Il
Rayleght Scattering possiamo considerarlo come una dispersione
elastica dei fotoni, in quanto l'energia stessa dei fotoni in realtà
non ha subito nessun cambiamento. Qualora i fotoni avessero una
maggiore o minore energia intrinseca, nella loro dispersione, ci
troveremo davanti alla cosiddetta Raman Scattering. Solitamente questo tipo
di dispersione coinvolge l'eccitamento del modi in cui le molecole
vibrano, conferendo una più bassa energia ai fotoni dispersi, o
disperdendo un determinato tipo di molecole il cui stato vibratorio
risulta essere aggiunto a quello del fotone che ne ha determinato
tale condizione.
MIE SCATTERING
La
dispersione ottenuta da molecole o particelle piccolissime (< 1/10
di lunghezza d'onda) costituisce il predominante Rayleigh
Scattering. Per le particelle aventi una larghezza pari o superiore
ad una lunghezza d'onda predomina invece il Mie Scattering. Questo
tipo di dispersione produce un effetto definibile a "lobo di
antenna", con una porzione di tale "lobo" più marcata e tagliente
nel verso della radiazione incidente per le particelle più grandi.
Il
Mie Scattering non è strettamente legato alla lunghezza d'onda della
luce. La cosa più interessante è, però, che esso produce quel
chiarore quasi bianco intorno al sole allorchè l'aria risulta notevolmente
carica di polveri sottili. Ed è lo stesso fenomeno che produce il
bianco diffuso nella foschia e nella nebbia.
RAYLEGT E MIE SCATTERING
SATURAZIONE E LUMINOSITA' DEL CIELO
A
proposito dell'esame di saturazione e luminosità del colore blu del
cielo, sono state effettuate misurazioni utilizzando immagini
immesse in un computer dotato del software Adobe Illustrator's color
tool. Va chiarito che la sequenza di dati non deve essere presa alla
lettera perchè le immagini avrebbero subito alcune trasformazioni ed
il video originale non era stato calibrato. Ad ogni modo ci possono
offrire un'idea valida sulla progressione del colore del cielo.
Una
serie di punti sull'immagine del cielo è stata scelta a partire
dalla parte di sinistra, indicata dai puntini bianchi sovrapposti
sull'immagine qui sopra. E' chiaro che la progressione inizia da un
cielo più blu intenso e conduce fino ad un colore blu meno saturato
e dall'aspetto "pastello". Le misurazioni sono state fatte basandosi
sull'ammontare ad ogni singolo punto della presenza di rosso, verde,
blu (la Palette RGB). Nel grafico sopra il blu è stato normalizzato
a 1 mentre, partendo da sinistra, le tonalità verde e rosso
costituiscono una frazione del blu.
Il risultato era che il
verde aveva una significativa e maggior luminosità del rosso,
coerente con il Rayleigh Scattering che dà risalto alle frequenze
più corte. Altro risultato era che l'aumentare del rosso e del verde
costituivano l'evidenza della diminuzione della saturazione. Tutto
ciò si potrebbe interpretare come un mescolamento di blu e di luce
bianca in crescendo, evidente insieme di Mie Scattering e Rayleigh
Scattering.
Quanto più ci
avviciniamo alla direzione del sole, tanto più il Mie Scattering
acquisisce sempre più frazioni della luce totale dispersa; potremmo
dire che la luce bianca costituisce il punto massimo di Mie
Scattering. Così il grafico sopra corrisponde alla somma dei tre
colori RGB con un massimo di 1, equivalente al colore bianco
visibile sul vostro video. L'aumento di luminosità è costante con
Rayleigh e Mie Scattering. Il Mie Scattering tuttavia possiede un
lobo accentuato sempre più nel senso della direzione del sole.
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