Introduzione alle fotometeore

Con il termine meteora, dal greco metéora (fenomeno celeste), in astronomia si intende la manifestazione luminosa derivante dall’attraversamento dell’atmosfera da parte di un meteorite. Nel linguaggio della meteorologia, invece, alla meteora si associa un evento osservato nella bassa atmosfera (troposfera). Le meteore vengono quindi classificate in idrometeore (nebbia, neve, pioggia…), in litometeore (fumo, tempesta di polvere…), in elettrometeore (lampo, tuono…) ed infine in fotometeore (alone, parelio, arcobaleno…). Con quest’ultimo termine s’intende un fenomeno luminoso prodotto dall’interferenza della luce solare, lunare o astrale con le particelle presenti nella troposfera (da Marco Meniero, Luci e colori del Cielo, Ronca Editore 2020).

Classificazione secondo il World Meteorological Organization: le fotometeore si possono classificare in fenomeni che si formano: sulle nubi o dentro di esse (aloni, corone, iridescenze e glorie); dentro le idrometeore o nelle litometeore (alone, corone, gloria, arcobaleno, raggi crepuscolari, Anello di Bishop), in aria libera (miraggi, shimmer, scintillio, raggio verde).

Riflessione nelle gocce di acqua: arcobaleni (rainbow, fogbow, red rainbow, arcobaleni riflessi, arcobaleni in infrarosso, lunari, di ordine superiore, archi soprannumerari, arcobaleni sull’acqua). Quando la luce entra dentro la goccia di acqua, e successivamente quando emerge, viene anche leggermente rifratta, ma questi passaggi non influiscono sulla formazione dell'iride.

Riflessione nei ghiacci: sun pillars (colonne di luce), pillars artificiali, subsun, cerchio paretico, croci.

Rifrazione nei ghiacci: aloni a 22 gradi, archi, pareli a 22 gradi, arco tangente superiore a 22 gradi, archi tangenti inferiori all’alone, alone circoscritto, arco di Parry (upper/lower, suncave/sunvex, arco di Lowitz, alone a 46, arco circumzeintale, arco circumorizzontale, archi infralaterale/sopralaterale, archi in contatto con l’alone a 46 gradi, altri aloni rari, archi antelici (Wegner, Hastings, Tricker).

Combinazione tra riflessione e rifrazione: subsun dog (subparelio a 22 gradi), cerchio subparelico, parelio a 122 gradi (da rifrazione e riflessione a specchio), pillar antelici, archi subelici, archi eliaci, archi antisolari, arco di Kern, arco di Hevel,

Rifrazione atmosferica: miraggi (inferiori, superiori, Fata Morgana, multipli, Mock Mirage), Novaya Zemlya, scintillio, raggio verde, raggio rosso, shimmer, Sole da Omega.

Dispersione (scattering): colori del cielo limpido, raggi crepuscolari, ombre, colori delle nubi.

Diffrazione: corona, iridescenze, anello di Bishop, gloria, spettro di Brocken, Heiligenschein (dal tedesco: "splendore dei Santi") da umidità, Heiligenschein secco.

L'arcobaleno

Definizione di Arcobaleno da WMO: <<A group of concentric arcs with colors ranging from violet to red, produced on a “screen” of water drops (raindrops, or air droplets of drizzle or fog), in the atmosphere by light from the Sun or Moon>>.

Gli arcobaleni si formano per la riflessione della luce solare, o lunare, nelle gocce d’acqua: quando il fascio di luce passa dentro una goccia viene rifratto, riflesso e quindi nuovamente rifratto proprio come accade in un prisma. Se nella goccia avvengono due riflessioni, invece di una sola, si forma un secondo arco (secondario) con i colori simmetrici rispetto al primo. In tal caso il secondo arco avrà uno spessore pari al doppio del primo, ma una luminosità ridotta del 43%. Si possono formare anche arcobaleni di ordine superiore al secondo fino al settimo ordine (ipotizzato per via teorica) il cui numero d’ordine è determinato dal numero di riflessioni interne alle gocce d’acqua. L’intensità cromatica dipende dal diametro delle gocce d’acqua: grandi dimensioni nell’ordine di 1,5 mm, o più, creano colorazioni molto contrastanti, con archi soprannumerari ben visibili, mentre diametri inferiori fino a 0,1 mm rendono l’arcobaleno pallido ed evanescente; se invece le gocce hanno misure inferiori a 0,05 mm, l’arco appare biancastro ed assume il nome di “arco bianco” da nebbia (fogbow). L’arcobaleno è probabilmente la fotometeora più conosciuta ed osservata dall’umanità da tempi remoti, ma fu studiata scientificamente per la prima volta da Cartesio

Rifrazione dei ghiacci

La rifrazione è quel fenomeno fisico tale che quando una onda elettromagnetica (nel nostro caso la luce) incontra la superficie di separazione tra due mezzi diversi (ad esempio nei cirri: aria-cristalli di ghiaccio) le caratteristiche del mezzo nel quale entra le fanno variare la velocità e la direzione di propagazione.

Le fotometeore che derivano da questo tipo di fenomeni rifrattivi nei cristalli sono: aloni, archi e macchie (pareli). Talvolta la formazione questi eventi può scaturire anche dalla riflessione oltre che dalla rifrazione.

Definizione di fenomeni alonari da WMO: <<A group od optical phenomena in the form of rings, arcs or bright spots, produces by the refraction or reflection of light by ice crystal suspended in the atmosphere (cirri form clouds, diamond dust, etc.)>>.

Gli aloni si differenziano fra di loro in base all’elevazione della fonte luminosa ed in base alla forma e al movimento dei cristalli di ghiaccio che possono essere piatti od allungati. Essi appaiono sui cirri sottili come vaste corone di luce intorno al Sole, alla Luna, ai pianeti principali o alle stelle più luminose. L’estensione dell’alone dipende da come viene rifratta la luce e da come sono orientati i cristalli di ghiaccio. La direzione di rifrazione non è casuale, ad esempio: i ghiacci esagonali orientati orizzontalmente hanno un angolo di rifrazione di 22 gradi tra la direzione di ingresso della luce e di uscita. Generalmente i due angoli di ingresso ed uscita sono simmetrici tra di loro.

Il parelio (bright spot, sun dog o falsi soli) si manifesta con due macchie luminose poste alla stessa elevazione del Sole (o della Luna, ma in questo caso si chiama paraselenio), con distanze angolari fisse. Le distanze dal Sole sono generalmente pari a 22°; tuttavia, in condizioni rare, è possibile la formazione di una coppia anche a 46° dal Sole e/o a 120°. Le macchie manifestano la colorazione tipica dell’iride con il rosso verso il Sole e spesso vengono scambiate per “oggetti volanti non identificati”.

Raramente si può assistere alla formazione di un cerchio parelico, ovvero una tenue stringa bianca che unisce i pareli con il Sole e che può arrivare ad estendersi per 360°. Esiste una vasta casistica di fenomeni alonari che prende il nome di archi e dipende dalla forma e dalla disposizione dei ghiacci; essi possono presentarsi a distanze angolari molto lontane fra loro e possono avere il centro della loro curva nel Sole, in posizioni antisolari o zenitali. Alcuni fenomeni tra i più comuni sono: Arco Circumorizzontale e l’Arco Circumzenitale (CZA).

Riflessione nei ghiacci

La riflessione è quel fenomeno fisico tale che quando una onda elettromagnetica (nel nostro caso la luce) incontra la superficie di separazione tra due mezzi diversi (ad esempio: aria-acqua/ghiaccio) non attraversa la superficie, ma cambia la direzione di propagazione ritornando nel mezzo da cui è venuta.

Le fotometeore che derivano da questo tipo di fenomeni riflessivi sono: cerchi, croci e varie colonne di luce, dette pillar.

Il Sun pillar è una colonna luminosa che si estende dal disco solare verso il basso o verso l’alto e che si può anche verificare con il Sole situato in prossimità dell’orizzonte. La causa è la riflessione della luce solare da parte dei cristalli di ghiaccio orizzontali e paralleli fra di loro. Questi tipi di cristalli sono molto frequenti nelle formazioni cirriformi che sono costituite dai ghiacci sottili e larghi come minuscoli specchietti che riflettono la luce. I ghiacci si muovono lentamente nell’aria come le foglie che cadono mantenendosi parallelamente fra loro. Tuttavia solo quei pochi che sono in posizione orizzontale riflettono verso l’osservatore la luce solare e quindi illuminano il cielo in maniera più intensa sopra il Sole. Analogamente al sun pillar si possono formare i light pillar: la causa fisica è la medesima, ma la fonte luminosa varia: lampioni, i fari delle auto, pianeti luminosi, Luna.

Dispersione

Solo l’80-85% dei fotoni del Sole riesce a raggiungere direttamente il suolo senza subire interferenze esterne. Il rimanente 20-15% invece subisce il fenomeno della dispersione (scattering) quando viene a contatto con le molecole atmosferiche e l’aerosol. Il fenomeno dello scattering determina la variazione della luce dal suo percorso originale quando essa colpisce una particella o una superficie. La luce bianca viene suddivisa nei suoi colori costituenti ed è proprio questa interazione che determina i colori del cielo. Per comprendere gli effetti di questa interazione si deve capire cosa succede nelle particelle che compongono l’atmosfera: essa è composta da una miscela di gas che scinde la luce proveniente da Sole nelle singole lunghezze d’onda e la polarizza. Inoltre, durante la polarizzazione, le molecole diffondono i fotoni in misura inversamente proporzionale alla quarta potenza della loro lunghezza d’onda. In altre parole le molecole, che hanno mediamente le stesse dimensioni delle lunghezze d’onda dei fotoni, li diffondono in tutte le direzioni, ma in misura decrescente dal viola verso il rosso. All’occhio giungono tutti i colori, ma il cielo sereno appare “azzurro” perché la componente blu è diffusa maggiormente. Tuttavia nell’atmosfera sono presenti anche altre particelle di dimensioni maggiori della lunghezza d’onda. Sono proprio queste che attenuano la vividezza dell’azzurro, così talvolta il cielo diviene arrossato o pallido. Invece quando i venti secchi allontanano queste particelle e rendono l’aria limpida il colore passa da “azzurro pallido” a “blu intenso”.

I principali fenomeni che scaturiscono dalla dispersione sono i raggi crepuscolari ed il cono d’ombra della Terra, li approfondiamo nei seguenti paragrafi.

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Raggi crepuscolari

I raggi crepuscolari sono fasci di ombre alternati a fasci di luce bluastra generati dall’interazione tra la luce solare e formazioni nuvolose che posso trovarsi sopra o sotto l’orizzonte. Tali luci sembrano divergere per un effetto prospettico, in realtà sono parallele fra di loro e provengono da un punto che sembra infinitamente lontano, ovvero il Sole. Raramente questi raggi percorrono tutta la volta celeste per tornare a congiungersi nel punto antisolare, assumendo in questo caso il nome di raggi anticrepuscolari in prossimità dell’antelio. Col nome di raggi crepuscolari vengono chiamate anche le ombre delle nuvole che si formano a qualsiasi ora del giorno. Si possono vedere perfino sott’acqua. La causa fisica sia delle ombre, sia dei raggi crepuscolari, è la dispersione della luce solare determinata dalle molecole e da alcune particelle come la polvere, la caligine, la foschia, la nebbia o le velature.

Cono d'Ombra della terra

Il cono d’ombra della Terra sorge ad Est dopo il tramonto oppure tramonta ad Ovest prima dell’alba. Si può osservare come una banda blu scuro, bassa e larga sull’orizzonte  schiacciata tra l’orizzonte e l’arco anticrepuscolare. Quando il cielo è particolarmente limpido il bordo superiore dell’ombra si arrossa e prende il nome di “Cintura di Venere”. L’arco anticrepuscolare è una fascia posta sopra il punto antisolare mentre l’arco crepuscolare si localizza simmetricamente sopra la zona del tramonto.

Diffrazione

La diffrazione è un fenomeno che si verifica durante la propagazione di grandezze di natura ondulatoria: l’energia di una onda quando incontra ostacoli sul suo cammino si riesce a distribuire oltre l’ostacolo raggiungendo anche i punti in ombra, nei quali essa non potrebbe giungere se la propagazione avvenisse per raggi rettilinei. Affinché si verifichi la diffrazione l’ostacolo deve presentare un passaggio per l’onda luminosa di grandezza similare alla lunghezza d’onda stessa.

Un esempio di diffrazione è il fenomeno luminoso del Gloria.

Definizione del Gloria da WMO: <<One or more sequences of colures rings, seen by an observer around their own shadow a cloud consisting mainly of numerous small water droplets, on fog or, very rarely, on dew>>.

Per capire il Gloria: supponiamo di stare su una collina, ed alle nostre spalle brilli il Sole. La nostra ombra viene proiettata sulla nebbia sottostante e viene apparentemente trasformata in una silhouette a forma di piramide col suo vertice nel punto antisolare proprio dove appare l’ombra della nostra testa. Questa ombra prende il nome di Spettro di Brocken. Se l’apice dell’ombra è contornato da un alone luminoso allora si osserva il Gloria. Esso è un antelio, ovvero un fenomeno che si verifica nella direzione opposta all’astro.

Un altro esempio di diffrazione sono le corone e le iridescenze che colorano il cielo di variopinti colori.

Definizione della corona da WMO: <<Corona, one or more sequences (seldom more than three) of small-diameter coloured rings centred on the Sun or Moon.>>.

Definizione della iridescenza da WMO: <<Irisation or iridescence: Colours appearing on clouds, sometimes mingled and sometimes in the form of bands nearly parallel to the margin of the clouds. Green and pink occur most often, and in pastel shades>>.

I colori brillanti di questi fenomeni sono generati dalla diffrazione della luce attorno alle gocce d’acqua ed ai ghiacci. Se le dimensioni delle gocce e dei ghiacci sono simili fra di loro allora si formano le corone tonde altrimenti si generano le iridescenze.

Rifrazione atmosferica

Si ha la rifrazione atmosferica quando la comune rifrazione è generata da strati atmosferici con temperature e densità diverse tra di loro. Essa è la causa principale della famiglia dei  miraggi e dello scintillio stellare.

Miraggi

Il primo studio scientifico dei miraggi risale al 1798 ed è attribuito al matematico francese Gaspard Monge, il quale li osservò durante le sue spedizioni scientifiche in Egitto. Monge, al seguito di Napoleone, osservò che i battaglioni in marcia, se osservati da lontano, sembravano galleggiare in aria e deformarsi. Quando tornò in patria per descrivere il fenomeno, coniò il termine se mirer che può essere tradotto letteralmente con si riflette. I miraggi sono prodotti dalle differenze di temperatura fra i diversi strati d’aria e fra questi e la superficie terrestre. Sotto particolari condizioni, oggetti e panorami, posti a notevole distanza dall’osservatore, possono produrre immagini virtuali ed essere osservati deformati, sdoppiati o capovolti.

I miraggi si possono manifestare principalmente sovrapponendo due immagini tra di loro, di cui una è reale e l’altra irreale: in questi casi assumono il nome di “miraggi inferiori” e “miraggi superiori”. Esistono anche rari casi di sovrapposizioni di tre, o più immagini, come la Fata Morgana, Mock Mirage, Alfred Wegener’s Late Mirage e la famiglia dei green flash.

Nel caso dei miraggi inferiori gli strati atmosferici più bassi, a contatto diretto con il suolo, si riscaldano maggiormente rispetto a quelli superiori; di conseguenza, se non si producono correnti ascensionali, si crea un vero e proprio tappeto di aria calda instabile sul suolo e quindi una variazione verticale di densità dell’aria tale da produrre fenomeni di rifrazione e di riflessione. I raggi luminosi che incontrano questo spessore d’aria non si propagano in modo rettilineo, ma si curvano verso l’alto, producendo un’immagine virtuale capovolta verso il basso.

L’esempio più frequente di miraggio inferiore è quello che si verifica d’estate sulle distese asfaltate, dove si raggiungono anche i 70°C nei primi 15 cm d’altezza dal suolo. Da lontano, sembra che la strada sia “bagnata”: ma quello che si vede è il cielo riflesso dallo strato di aria calda che sovrasta l’asfalto. Questo tipo di miraggio si chiama Shimmer.

Il miraggio superiore invece si genera quando lo strato di aria è più freddo del suolo e più denso degli strati di aria superiori.

Raggio verde

Definizione di raggio verde da WMO:<<A predominantly green coloration of short duration, often in the form a flash, seen at the estreme upper edge of the Sun, Moon or sometimes even planet when disappearing below or appearing above the horizon>>.

Consiste nella visione di una debole striatura verde, che si forma sulla sommità del disco solare al tramontare o al sorgere; in particolari condizioni, si può trasformare in un vero e proprio lampo verde, oppure digradarsi nel blu/indaco.

Scintillio

Definizione dello scintillio da WMO:<<Scintillation: Rapid variations, often in the form of pulsations, of the light from stars or terrestrial light sources>>.

La brillantezza apparente, il colore e la posizione delle stelle subiscono delle variazioni a causa delle fluttuazioni dell'indice di rifrazione nelle porzioni dell'atmosfera attraversate dai raggi luminosi. La scintillazione è più pronunciata quando la luce percorre tratti più lunghi nell’atmosfera, quindi lo scintillio delle stelle è più evidente vicino all'orizzonte che allo zenit.