I fenomeni ottici atmosferici

Dopo aver parlato delle nubi passiamo ad un’altra serie di fenomeni che popolano i nostri cieli: i fenomeni ottici. Arcobaleni, glorie, parelii e chi più ne ha più ne metta. Prima di trattare i principali tra questi fenomeni, introduciamo quelli che sono i principali fenomeni ottici di cui tener conto.

La radiazione solare è bianca, ossia è una luce che viene emessa a tutte le frequenze, tuttavia prima di giungere ai nostri occhi questa viene filtrata dall’atmosfera terrestre. Quando la luce solare si va a scontrare con le particelle atmosferiche, questa può essere riflessa, assorbita o diffusa. Molti parametri intervengono a determinare quale di queste cose avvenga: la composizione di suddette particelle, l’angolo con avviene lo scontro, la frequenza dei fotoni (le particelle di luce). Chiaramente i fenomeni vengono separati perché è utile ai fini della loro trattazione, ma l’interazione tra luce ed atmosfera è realisticamente una combinazione di tutti questi fenomeni: un fotone può essere ad esempio prima riflesso e poi assorbito, oppure diffuso molte volte prima di essere assorbito, e così via.

Riflessione: se ad esempio la luce incide sulle nubi, questa ha una buona probabilità di essere riflessa nello spazio senza procedere all’interno dell’atmosfera.

Rifrazione: la velocità della luce non è sempre uguale, ma varia a seconda del mezzo nella quale si propaga. Quando un raggio passa dal vuoto dello spazio interplanetario all’atmosfera, la sua velocità di propagazione diminuisce, e con essa l’angolo rispetto a quello di incidenza. L’indice di rifrazione è una proprietà del mezzo che indica proprio di quanto la velocità della luce diminuisca venendo dal vuoto (ad esempio un indice di rifrazione di 2 significa che la velocità della luce diventa la metà di quella nel vuoto). Quest’indice dipende dalla frequenza della luce, ma anche dalla pressione e dalla temperatura del mezzo. Nel caso dell’atmosfera terrestre avremo quindi una grande variabilità di indice di rifrazione a causa della variabilità verticale ed orizzontale delle temperature e pressioni.

Assorbimento: le molecole sono costituite da atomi e gli atomi da particelle subatomiche. Sia gli atomi nelle molecole che le particelle negli atomi sono legati con una certa energia. Inoltre le molecole e gli atomi sono in grado di vibrare, ruotare e deformarsi con determinati valori di energia. Quello che succede è che se i fotoni incidenti possiedono quei valori di energia, possono venire assorbiti: ad esempio le molecole di ozono, composte da 3 atomi di ossigeno, vengono spezzate nel momento in cui raggi di specifiche frequenze ultraviolette vanno ad incidere su di loro. Ci sono quindi una serie di frequenze che vengono filtrate dall’atmosfera. La luce visibile passa quasi indisturbata (ed in effetti sono gli stessi occhi che si sono evoluti dando un vantaggio evolutivo a chi poteva vedere tale luce), gli infrarossi vengono assorbiti in gran parte dando origine all’effetto serra.

Diffusione: detta anche scattering, la diffusione descrive l’insieme dei processi che costringono i fotoni a cambiare traiettoria rispetto a quella di incidenza, diffondendoli ad angoli diversi a seconda delle proprietà della particella e della luce. Le molecole di azoto in atmosfera diffondono ad esempio principalmente le frequenze blu rispetto a quelle rosse, permettendo al cielo di essere blu e non nero come quello di un corpo privo di atmosfera e quindi di scattering. Anche il rosso al tramonto è legato allo scattering: attorno al Sole il cielo è sempre più rosso in quanto appunto le frequenze blu vengono diffuse, ma al tramonto, quando il Sole è più debole e lo strato di atmosfera attraversato prima di arrivare ai nostri occhi maggiore, questo si nota molto di più. Anche le particelle delle nubi e quelle solide sospese in atmosfera (aerosol) diffondono la luce, in misura differente a seconda delle loro proprietà.

Diffrazione: la diffrazione è un insieme di fenomeni che avvengono quando un’onda incontra un ostacolo oppure è costretta a passare all’interno di un’apertura (un foro, una fessura, ecc.). Il modo più semplice che abbiamo di figurarla è quella di osservarne gli effetti sulle onde del mare.

Il caso più semplice di diffrazione di un fronte d’onda piano attraverso una fenditura. Credits: WikiMedia

Se pensiamo ad un’onda in mare aperto, vediamo come il fronte d’onda (ad esempio la linea che costituisce la cresta dell’onda) prosegue in linea retta, parallelo a sé stesso nel tempo. Nel momento in cui questa si inserisce all’interno di una fenditura tra gli scogli, il fronte d’onda si propaga in maniera circolare (pensiamo ad esempio alla forma ad arco delle spiagge che si formano tra gli scogli, dovuta proprio al fatto che le onde che vi si infrangono si propagano con questa forma). Questo in ottica prende il nome di principio di Huygens-Fresnel: ogni punto del fronte d’onda può essere in realtà visto come la sorgente di onde circolari; finché non ci sono ostacoli i punti delle circonferenze generate dall’emissione di tutti i punti del fronte d’onda fanno sì che il fronte d’onda resti piano, ma nel momento in cui incontrano un’ostacolo o una fenditura, l’emissione circolare si può visualizzare non essendo più presenti gli altri punti del fronte d’onda a pareggiare i conti.

Una volta incamerati questi concetti possiamo passare a vedere quali sono i principali fenomeni ottici atmosferici ad essi legati.

Miraggio

Un classico miraggio nel deserto. Credits: WikiMedia

I miraggi si formano quando la luce passa attraverso strati atmosferici a diversa densità. Un classico sono i miraggi nel deserto, o quelli in lontananza sull’asfalto dell’autostrada: quando infatti il Sole scalda molto la superficie, l’aria soprastante diventa più calda (e quindi meno densa) di quella circostante. A causa della rifrazione il passaggio dalle zone meno dense a quelle più dense causa una variazione nell’angolo con cui la luce si propaga, facendo apparire le cose in posizioni diverse da quelle reali. Altezze sfalsate, immagini invertite degli oggetti lontani o macchie riflettenti sulla superficie sono gli esempi più comuni di questo effetto.

Arcobaleno

Un arcobaleno primario e secondario. Credits: Pexels.com

Che ci siano o meno pentole d’oro ai suoi piedi, gli arcobaleni restano uno dei fenomeni più comuni ed incredibili cui ci capita di assistere. La luce bianca del Sole viene separata nelle sue componenti, con il viola alla base ed il rosso più in alto. Nell’arcobaleno secondario, i colori appaiono invece invertiti. Quando sono presenti goccioline di acqua sospese nell’atmosfera ma c’è il Sole, come quando si diradano le nubi dopo un temporale, queste sfruttano ancora una volta la rifrazione ed in particolare la sua dipendenza dalla frequenza della luce per formare l’arcobaleno. La luce viene rifratta all’interno della goccia, poi riflessa dalla sua superficie opposta e poi nuovamente rifratta. Siccome come abbiamo detto l’indice di rifrazione dipende dalla frequenza della luce, frequenze diverse vengono rifratte ad angoli diversi e si forma l’arcobaleno. L’intensità più intensa si ha quando l’angolo tra il Sole e le gocce d’acqua è di 42° (ed è proprio qui dove in genere vediamo gli arcobaleni). Se avviene una riflessione ulteriore all’interno della goccia si forma il secondario, che ha i colori invertiti proprio a causa della ripetizione del processo.

Alone e parelio

Alone e parelio. Credits: WMO

Quando la temperatura è bassa e si formano cristalli di ghiaccio sospesi in atmosfera ed in particolare nei cirri situati tra l’osservatore ed il Sole (o la Luna), si può formare un alone, un cerchio luminoso estremamente simile all’arcobaleno in quanto a processo di formazione. La forma e la struttura dei cristalli di ghiaccio determinano la tipologia di alone che si può formare. A volte associati agli aloni si possono trovare i parelii (o paraseleni se stiamo parlando della Luna), noti anche come cani solari, due macchie luminose ai lati del cerchio dell’alone. Questo è dovuto alla presenza di cristalli di ghiaccio piatti ed orizzontali che proiettano la luce ai lati dell’alone.

Corona

Una classica corona. Credits: WikiMedia

Le corone sono simili in apparenza agli aloni, ma formate da un fenomeno diverso. In questo caso infatti la responsabile è la diffrazione sulle gocce d’acqua degli altocumuli o altostrati. Come abbiamo detto la diffrazione causa la curvatura del fronte d’onda, che da piano diventa sferico, formando un disco (detto disco di Airy).

Iridescenza

Un semplice caso di iridescenza delle nubi. Credits: Pixabay.com

Per nubi iridescenti si intende il fenomeno, presente di rado negli altocumuli, cirrocumuli e nubi lenticolari, in cui la nube sembra colorata. Anche in questo caso si tratta di un fenomeno di diffrazione, dovuto alle particelle di acqua o di ghiaccio che compongono le nubi. La nube deve essere sottile in modo tale che i raggi incontrino quasi una sola particella sulla quale si diffrangono. L’effetto cumulativo di questa diffrazione sulle numerose particelle che compongono la nube dà luogo all’iridescenza.

Pilastri di luce

Pilastro di luce. Credits: WikiMedia

A volte al tramonto o all’alba può capitare di imbattersi in questi pilastri luminosi. Questo fenomeno è dovuto alla riflessione della luce solare sui cristalli di ghiaccio nel momento in cui il Sole si trova al di sotto dell’orizzonte.

Raggi crepuscolari

Raggi crepuscolari. Credits: Pixabay

Sono i raggi di luce che sembrano irradiarsi da un punto del cielo, come colonne di luce separate dall’ombra delle nubi, ed in effetti è proprio quello che sono, e si formano nei casi in cui la luce solare intensa filtra attraverso dei buchi in nubi otticamente molto spesse.

Gloria 

Una gloria solare tra la nebbia nubi. Credits: Juri Sennikovs on flickr.com

Una gloria è prodotta da una combinazione di diffrazione, riflessione e rifrazione attraverso gocce d’acqua in una nube uniforme. In realtà non è ancora del tutto chiaro come avvenga questo processo, anche se sembra che potrebbe essere legato alla diffusione della luce sulla superficie delle gocce stesse.

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