sabato 10 dicembre 2011

Perché di giorno le stelle non si vedono?

Le stelle si possono vedere solo di notte, non di giorno.
Questa è una verità così palese che spesso non ci si sofferma sui motivi profondi di questa  osservazione. 
Allora a questo punto vi giro la domanda, vediamo se sapete darmi una giustificazione plausibile: perché le stelle di giorno non si vedono?
Quanti di voi sanno davvero la risposta?
Molti diranno: ovvio, perché di giorno c'è il Sole, la cui elevata luminosità oscura tutte le altre, deboli, stelle. 

La risposta, in questi termini, è incompleta e debole, tanto che confutarla diventa molto semplice; basta una foto ripresa dallo spazio per mostrare che la presenza del Sole, di per se, non rappresenta un ostacolo all'osservazione del cielo. 
Il cielo dallo spazio non è brillante neanche con il Sole

Uno a zero per me, provate di nuovo!
Queste foto vi danno però lo spunto per capire il motivo per il quale di giorno non si vedono le stelle.
Qual è la differenza tra l'osservare il cielo dallo spazio e dalla superficie terrestre? L'atmosfera!
In effetti, il motivo per il quale di giorno il cielo è chiaro e nasconde tutte le stelle è da attribuire alla nostra atmosfera, che non è completamente trasparente alla luce.
La presenza di aria, di particelle solide, di vapore acqueo, rendono l'atmosfera simile ad un banco di nebbia, seppur in misura molto minore.
E cosa succede quando accendete i fari abbaglianti dell'auto mentre vi trovate in un fitto banco di nebbia?
Che la visibilità addirittura peggiora: la nebbia intercetta la luce dei fari e si trasforma in un muro bianco che vi impedisce di vedere la strada.
Questo fenomeno è detto diffusione.
Le particelle liquide e solide contenute nell'atmosfera, e la stessa aria, riflettono in tutte le direzioni (diffondono), come se fossero dei minuscoli specchi orientati casualmente, parte della radiazione che la attraversa.
Il fenomeno della diffusione è evidente con la nebbia perché molto intenso, ma è sempre presente e diventa importante quando ci sono forti sorgenti luminose.
E' questo il motivo per il quale il cielo di giorno è brillante e nasconde le stelle.

La luce solare che entra nell'atmosfera è molto intensa. L'involucro gassoso che avvolge il nostro pianeta non è completamente trasparente e diffonde in tutte le direzioni, proprio come se fosse nebbia, la luce solare, rendendo il cielo brillante. Non a caso, se non ci fosse l'atmosfera, la luce solare non verrebbe diffusa ed il cielo apparirebbe completamente nero. 
Facciamo un passo in avanti, cercando di capire le proprietà della diffusione della luce da parte dell'atmosfera della Terra.
Se ci troviamo in pianura, in una giornata di calma atmosferica (assenza di vento), il cielo appare di una tonalità biancastra o di un azzurro pallido. Se ci spostiamo in montagna il cielo assume una tonalità azzurra molto accesa, si dice che il cielo è terso. 
Perché questa differenza? 
Ancora meglio: perché il cielo diurno è azzurro?

Il colore del cielo dipende dalle caratteristiche dell'atmosfera dalla quale osserviamo.
In pianura l'aria sovrastante è carica di umidità, di polveri e spesso smog. Queste particelle solide o liquide (acqua) diffondono la luce, composta da diverse lunghezze d’onda, della stessa quantità. Il risultato è che il cielo tende ad apparire bianco perché tutti i colori vengono diffusi nello stesso modo.
Quando andiamo in alta montagna smog, polveri e umidità sono generalmente contenuti. Sopra la nostra testa, se è sereno, l'atmosfera è pulita e contiene praticamente solo aria, nelle proporzioni che conosciamo (78%  azoto, 21% ossigeno).
Le molecole gassose si comportano diversamente: bloccano e diffondono maggiormente la luce blu rispetto a quella rossa. In parole più rigorose, l'intensità della diffusione è inversamente proporzionale alla lunghezza d'onda della luce. Minore lunghezza d'onda implica maggiore diffusione, quindi minore trasparenza.
E' questo il motivo per il quale di giorno il cielo appare azzurro.
Il Sole irradia la superficie terrestre a tutte le lunghezze d'onda visibili, ma le molecole del gas dell'alta atmosfera bloccano e diffondono in modo molto più efficiente la lunghezza d'onda blu-azzurra rispetto a quella rossa. Ne consegue che il cielo assume la classica tonalità azzurra.
E allora perché il cielo al tramonto o all'alba assume una colorazione rossastra?
Nei pressi del tramonto o dell'alba la luce solare attraversa uno strato molto spesso di atmosfera. La luce che vediamo è la combinazione dei due meccanismi citati.
Le molecole gassose negli strati superiori dell'atmosfera diffondono la luce blu; quella rossa passa quasi inalterata.
Quando la luce solare, ormai povera della componente blu, giunge negli spessi strati più bassi, viene diffusa da parte delle polveri e dal vapore acqueo; questo è il meccanismo che fa assumere al cielo in prossimità del Sole la colorazione rossa.
La nostra stella, poiché privata della componente blu diffusa dagli strati più alti (in effetti il cielo lontano dal Sole appare ancora azzurro), si tinge di un rosso intenso.
Diffusione di Rayleigh da parte del gas atmosferico
Non è un caso se i tramonti più belli si osservano in pianura, perché siamo nelle migliori condizioni affinché gli strati bassi dell'atmosfera diffondano efficientemente la radiazione rossa, rendendo il cielo molto colorato.
Abbiamo quindi compreso a fondo il motivo per il quale le stelle di giorno non si vedono: perché la luce diffusa dalla nostra atmosfera rende il cielo più brillante di ogni stella. 
Ma siamo sicuri che la brillanza del cielo sia così elevata da rendere invisibile qualsiasi stella?
Nell'analisi che abbiamo fatto c'è un "trucco" per rendere il cielo diurno più scuro e sperare di osservare qualche stella anche di giorno?
Il trucco c'è, guardate la figura a lato che rappresenta l'andamento della diffusione da parte delle molecole di aria in funzione della lunghezza d'onda e cercate di capirlo....

3 commenti:

  1. Ciao Daniele, sono un tuo corsista di Città della Pieve (quello con la barba che ti prospettò l'ipotesi che i buchi neri possano, per il loro effetto di lente gravitazionale, produrre delle immagini virtuali simili a quelle degli ammassi stellari; e poi vorrei poter approfondire con te questa teoria).
    Ritengo che il trucco a cui ti riferisci preveda l'uso di un filtro ottico selettivo in grado di bloccare le lunghezze d'onda più vicine al campo dell'azzurro. Si attenuerebbe così la gran parte della luce diffusa dall'atmosfera, consentendo di osservare almeno le sorgenti di luce più potenti e con più componente vicina al rosso.
    Ciao, a presto,
    Antonio Seccia

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  2. Ciao Antonio e grazie per aver commentato.
    Direi che hai centrato perfettamente la soluzione: bisogna utilizzare filtri che escludano la parte blu dello spettro elettromagnetico. Più il filtro seleziona lunghezze d'onda verso il rosso, più scuro appare il cielo. Addirittura se si usa un filtro infrarosso con delle camere sensibili a questa lunghezza d'onda, di giorno diventano visibili addirittura le stelle! Tra poco un post spiegherà meglio tutto questo.
    Ci vediamo a Città della Pieve!

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  3. Buongiorno Daniele,
    sono un neofita, e ho apprezzato moltissimo questo post. La mia domanda è: seguendo questo ragionamento, all'alba o al tramonto si dovrebbe assistere alla stessa intensità di rosso. Invece, credo che all'alba si assista al sorgere del sole in modo meno "infuocato" rispetto a certi tramonti. Sono in errore o c'è una spiegazione?

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