Osservare un tramonto. Che cos’è il raggio verde?

Fig. 1

Cos’è quella macchia verde? No, non è stato aggiunto un effetto fotografico, è tutto reale!

Diciamo subito che osservare questo effetto è un evento abbastanza raro. Il raggio verde è un fenomeno ottico che è visibile quando il Sole, all’alba o al tramonto, crea una sottile striatura luminosa dal colore verde, che dura pochi istanti.

Come un prisma di vetro

La nostra atmosfera si comporta come un prisma di vetro che suddivide la luce in uno spettro visibile di colori diversi ed è proprio ciò che fa il nostro prisma “atmosferico”, separando i diversi colori di cui è composta la luce solare.

Il fenomeno della dispersione cromatica della luce bianca fu scoperto da Newton che usò i prismi di vetro per i suoi studi sull’ottica.

Torniamo alla nostra atmosfera!

Quando il Sole è sopra l’orizzonte nell’arco della giornata si mostra come un disco di colore biancastro o giallo chiaro, poichè l’atmosfera terrestre diffonde maggiormente la luce blu.

Un po’ di teoria

Per diffusione ottica si intende un’ampia classe di fenomeni di interazione radiazione-materia in cui onde o particelle vengono deflesse a causa della collisione con altre particelle o onde.

Il fenomeno avviene in maniera disordinata e casuale; per questo la diffusione si distingue dalla riflessione e dalla rifrazione, che invece cambiano le traiettorie in modo regolare e determinato. Il termine diffusione viene, solitamente sostituito dal sinonimo scattering.

Attenzione! Solo le interazioni elastiche o quasi elastiche possono essere considerate processi di scattering che non devono comportare rilevanti cessioni o guadagni di energia.

Un esempio è la diffusione di Rayleigh, lo scattering elastico di un’onda luminosa provocato da particelle piccole rispetto alla lunghezza d’onda dell’onda stessa; tale diffusione avviene quando la luce attraversa, ad esempio, dei gas. Poiché l’interazione è elastica, la luce diffusa ha la stessa frequenza di quella incidente.

Nel caso della luce solare che attraversa l’atmosfera accenniamo allo scattering provocato dalle molecole dell’aria.

Quando un raggio luminoso di lunghezza d’onda λ e intensità I₀   colpisce una molecola,  l’intensità della luce diffusa  I  è proporzionale a

Riflettiamo sul significato di questa relazione di proporzionalità.

La forte dipendenza dell’intensità della luce diffusa dall’inverso della lunghezza d’onda elevata alla quarta potenza implica che la luce blu sia diffusa molto di più della luce rossa. Ricordiamo che la lunghezza d’onda del blu è minore di quella del rosso.

In atmosfera, quindi, i fotoni corrispondenti alla frequenza del blu vengono diffusi quando l’onda luminosa attraversa il cielo ed è questa la ragione per cui si può vedere la luce blu arrivare da tutte le regioni del cielo, mentre i fotoni corrispondenti ad altri colori derivano più direttamente dal Sole.

Per questo possiamo affermare che lo scattering di Rayleigh della componente blu della luce solare da parte delle molecole dell’aria è il motivo principale del fatto che il cielo ci appare di bel colore azzurro!

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Potremmo chiederci perché il cielo è blu anziché viola visto che, in accordo con la legge di Rayleigh e della dipendenza inversa con la quarta potenza della lunghezza d’onda, sarebbe naturale aspettarsi un cielo di questo colore visto che il violetto è il colore con la lunghezza d’onda minore.

La spiegazione è nella fisiologia del nostro occhio, che risulta essere più sensibile alla lunghezza d’onda corrispondente alla luce blu anziché a quella viola avendo dei fotorecettori che possiedono una sensibilità maggiore per il colore blu.

E il colore azzurro che noi vediamo deriva proprio dalla sovrapposizione dei colori viola e blu!

Cosa accade nel corso di un tramonto o al sorgere del Sole?

In quei momenti i raggi del Sole sono molto obliqui per cui la luce deve attraversare uno strato di atmosfera spesso; il nostro prisma “atmosferico” scompone la luce bianca nelle sue componenti cromatiche, ciascuna delle quali subisce una diversa deviazione, perchè ha una diversa frequenza.

Le componenti più rifratte sono quelle di colore violetto-blu-verde, che subiscono la maggiore deviazione, mentre le componenti con minore frequenza giallo-arancione-rosso sono le meno deviate dalla direzione iniziale della luce.

La conseguenza di questo fenomeno è lo sfasamento delle varie componenti spettrali della luce. Il Sole non apparirà più come un disco unico, ma come una serie di dischi leggermente sfasati tra loro.

Ancora una volta la diffusione di Rayleigh può spiegarci la presenza della colorazione rossa assunta da oggetti e nuvole al tramonto o all’alba.

Quando il Sole è basso sull’orizzonte, i raggi solari, attraversando uno maggiore spessore di atmosfera, incontrano un grande numero di molecole d’aria che fungono da centri diffusori, cosicché i fotoni corrispondenti al blu sono diffusi in tutte le direzioni. La conseguenza è che non giungono direttamente ai nostri occhi o vi giungono più debolmente.

Pertanto la luce solare risulta carente di alcune componenti dello spettro, mentre abbondano il rosso, l’arancione, il giallo, componenti che, attraversando meglio l’atmosfera ed essendo meno deviate dalla dispersione, riescono a raggiungere il nostro punto di osservazione.

Fig. 2

Nell’insieme il cielo appare ancora blu a causa del gran numero di fotoni corrispondenti a quella frequenza e sempre diffusi nella parte alta dell’atmosfera.

Al trascorrere del tempo chi osserva il tramonto vedrà svanire prima i colori rosso-arancione-giallo, componenti spettrali con la lunghezza d’onda maggiore, e successivamente i residui del verde e del blu non ancora del tutto assorbiti dall’atmosfera.

Ricordiamo, inoltre, che il legame tra lunghezza d’onda 𝛌 e frequenza f è dato dalla relazione:

Ma allora questo fantomatico raggio verde?

Il raro fenomeno del raggio verde è osservabile solo se le condizioni di visibilità, di rifrattività degli strati inferiori dell’atmosfera sono eccezionalmente elevate e il Sole scende su un orizzonte ampio e basso, come ad esempio il mare.

Ma oltre alla dispersione cromatica sono presenti altri fattori che concorrono alla formazione del raggio verde dalla colorazione brillante.

Molto dipende dalle diverse sostanze e particelle presenti nell’atmosfera, quali l’ozono, l’ossigeno, il vapore acqueo e il particolato, che riescono ad assorbire in modo selettivo i colori rosso e arancione favorendo quindi la visibilità del verde che si distingue per contrasto con la tonalità giallo-arancione del cielo.

In conclusione, quando il Sole sta per scomparire all’orizzonte, solo per un breve istante, un po’ di luce verde può “sopravvivere” al suo viaggio attraverso l’atmosfera e giungere fino ai nostri occhi, spalancati ancora una volta sulle meraviglie della Natura.