Radiazione, questa (s)conosciuta

Oggi è la giornata mondiale della meteorologia. Quest'anno è dedicata al tema del sole e alla sua fondamentale importanza per la Terra e per il tempo atmosferico.
Vediamo in questo post un bigino riassuntivo sull'irraggiamento e sulla natura della radiazione solare.
Naturalmente, si tratta di un argomento vasto, troppo vasto per essere esaurito da un singolo articolo di questo blog. Avremo occasione per (ri)tornare su alcuni dei temi ad esso correlati, come l'equilibrio radiativo della Terra, l'albedo o le particolari proprietà radiative della neve.


Qualsiasi corpo con una temperatura superiore a -273°C emette radiazioni termiche e quindi perde una certa quantità di energia; se non riceve energia in cambio, un corpo si raffredda costantemente e gradualmente. La sua temperatura in un dato momento è quindi determinata da quello che viene chiamato "bilancio radiativo", cioè la differenza tra l'energia emessa e l'energia ricevuta. Così, la vita sulla Terra è possibile solo perché il sole, pur trovandosi a 150 milioni di chilometri dal nostro pianeta, gli fornisce continuamente energia sotto forma di radiazioni, compensando così l'energia persa, anch'essa per irraggiamento. È su questo fenomeno che ci concentreremo in questo articolo.



Immaginate di passeggiare nel vostro giardino e di imbattervi in una canna dell’acqua distesa per terra; prendete l'estremità della canna e agitatela dall'alto al basso. Se tutto procede normalmente, dovreste vedere una sorta di onda che si allontana da voi: è un'onda, che trasmette l'energia fornita dalla vostra mano lungo il tubo. Se ripetete il movimento più volte, non sarà una sola, bensì un treno di onde che vedrete allontanarsi, e questo anche se né il tubo né alcuna delle sue parti si è mossa in questa direzione. Così, un'onda si muove in un ambiente che a suo volta rimane però immobile. Molti tipi di onde si propagano quindi in differenti ambienti. Ad esempio le onde del mare, che quando ci raggiungono ci sollevano e ci adagiano di nuovo praticamente nel medesimo punto, a meno di non essere inseriti nel rotolo che raggiunge la spiaggia. Un altro esempio sono le onde sonore, che hanno bisogno di aria, acqua o altro supporto per muoversi; così quando qualcuno ti parla, puoi sentirlo senza avere il vento nelle orecchie… Alcuni tipi di onde invece non hanno bisogno di alcun supporto per propagarsi; si muovono nel vuoto... La radiazione solare è di questo tipo!


Caratteristiche di un'onda

Un'onda nasce sempre da un movimento - quindi energia - sia che si tratti di atomi, delle corde vocali o del vento sul mare. È questa energia che viene trasmessa dall'onda attraverso un ambiente (o il vuoto).



Un'onda sinusoidale come quelle inviate dal sole (e schematizzate sopra) può essere definita da diverse variabili:

▪︎ La lunghezza d'onda (λ), cioè la distanza tra due creste dell'onda.
▪︎ Il periodo T, cioè il tempo trascorso tra il passaggio di due picchi (oscillazione completa).
▪︎ La frequenza (ν), cioè il numero di oscillazioni in un dato periodo (di solito 1 secondo); è quindi il valore inverso del periodo (cioè 1/T). La frequenza è misurata in Herz (Hz); 1 Hz = 1 vibrazione al secondo.
▪︎ L'ampiezza (A), cioè la massima differenza tra il punto di riferimento 0 e il picco dell'onda.

La quantità di energia trasportata da un'onda dipende essenzialmente dalla sua frequenza, e quindi dalla sua lunghezza d'onda. Più alta è la frequenza (o più corta la lunghezza d'onda), maggiore è l'energia trasportata. Dipende anche, in misura minore, dall'ampiezza. I parametri sopra elencati definiscono come un'onda si manifesta a noi in termini concreti. Prendiamo l'esempio delle onde sonore: un'alta frequenza (o una lunghezza d'onda corta) darà un suono acuto; una bassa frequenza darà un suono grave. Una grande ampiezza darà un suono molto forte e una piccola ampiezza un suono debole.


Natura della radiazione solare

L'esatta natura della radiazione solare ha alimentato le controversie dal XVII al XIX secolo. In poche parole, Newton sosteneva che la "luce" era composta da particelle e Huygens sosteneva, d'altra parte, che era composta da onde. Un esperimento del 1850 sembrava aver chiuso il dibattito a favore della teoria della natura ondulatoria della luce, con grande dispiacere degli ammiratori di Newton. Quindici anni dopo, nel 1865, lo scienziato James Clerk Maxwell riuscì a dimostrare che la luce era legata all'oscillazione di un campo elettrico e magnetico (i due essendo intimamente collegati), il che permise di definirla come un'onda elettromagnetica. Ricordiamo, poi, gli importanti contributi di grandi fisici quali Gustav Robert Kirchhoff, Josef Stefan, Ludwig Eduard Boltzmann, Wilhelm Wien, Max Planck...
L'ultima parola su questa storia, però, fu di Albert Einstein che nel 1905 suggerì che l'energia veniva trasmessa dalla luce sotto forma di "pacchetti" (denominati in seguito "fotoni") con caratteristiche corpuscolari e ondulatorie (come tutte le particelle elementari, concetto che è alla base della fisica quantistica). Fondamentalmente mise tutti d’accordo, ed è ormai accettato che la luce è sia di natura corpuscolare che ondulatoria.

Il sole emette quindi onde elettromagnetiche - legate al movimento degli atomi che lo compongono - che si propagano nel vuoto ad una velocità straordinaria di 300'000 km al secondo; ci vogliono circa 8 minuti per raggiungere la Terra. Così come le onde sonore, anche le onde elettromagnetiche emesse dal sole sono caratterizzate dalle variabili sopra elencate (lunghezza d'onda, frequenza, ecc....). Tuttavia, la gamma di onde solari è molto ampia (si chiama "spettro" solare). Quella che noi chiamiamo "luce" è solo una frazione di questo spettro (chiamato "visibile"), quello percepibile da questo magnifico strumento a nostra disposizione: l'occhio! Ma fondamentalmente non c'è differenza tra la luce, le onde del forno a microonde, i raggi X del radiologo o le onde radio della stazione FM preferita; sono tutte della stessa natura, e alcuni strumenti, come ad esempio le termocamere a infrarossi, permettono di vedere quelle che il nostro occhio non può vedere. È comunque nello spettro visibile che il sole emette la maggior parte delle radiazioni.

A sinistra dello spettro visibile si trovano le onde con l'energia più elevata; si tratta dei raggi gamma radioattivi, raggi X o raggi ultravioletti. A destra dello spettro visibile ci sono onde a bassa frequenza e a bassa energia come la radiazione infrarossa o le onde radio. Fonte.

Fotografie del sole scattate in diverse lunghezze d'onda dello spettro ultravioletto (comprese tra 10 e 380 nm circa). Fonte (satellite SOHO)

Le onde di frequenze al di sopra dello spettro visibile sono dannose per la vita sulla Terra, soprattutto perché la grande quantità di energia che trasportano può danneggiare il DNA degli esseri viventi. Se la vita sulla Terra è stata in grado di svilupparsi, è perché l'atmosfera che ci circonda cattura (utilizzando molecole come l'ossigeno, l'azoto e l'ozono) questa radiazione ad alta energia prima che raggiunga la superficie del globo.

Le radiazioni ad alta energia (a destra nell'immagine sopra) sono assorbite da alcuni componenti dell'atmosfera (ossigeno, azoto e ozono); senza questo scudo, la vita sulla Terra sarebbe impossibile. La radiazione infrarossa proveniente dal sole viene assorbita dal vapore acqueo presente nell'atmosfera; questo vapore acqueo, inoltre, assorbe e riemette verso la Terra la radiazione infrarossa da essa emessa (effetto serra). Fonte: Istituto per la protezione dalle radiazioni e la sicurezza nucleare (IRSN).



(fonte: Meteosvizzera e rielaborazioni mie)

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