L’ARCOBALENO

Pubblicato: 17 novembre 2012 in Meteorologia

L’ARCOBALENO

L’arcobaleno è un fenomeno ottico e meteorologico che produce uno spettro quasi continuo di luce nel cielo quando la luce del Sole attraversa le gocce d’acqua rimaste in sospensione dopo un temporale, o presso una cascata o una fontana. Visivamente è un arco multicolore, rosso sull’esterno e viola sulla parte interna, senza transizioni nette tra un colore e l’altro. Comunemente, tuttavia, lo spettro continuo viene descritto attraverso una sequenza di bande colorate; la suddivisione tradizionale è: rosso, arancione, giallo, verde, azzurro, indaco e violetto. Esso è la conseguenza della dispersione e della rifrazione della luce solare contro le pareti delle gocce stesse. In rari casi, un arcobaleno lunare, o notturno, può essere visto nelle notti di forte luce lunare. Ma, dato che la percezione umana dei colori in condizioni di poca luminosità è scarsa, gli arcobaleni lunari sono percepiti come bianchi.

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Spiegazione scientifica

Gli arcobaleni possono essere osservati ogni qualvolta ci siano gocce di acqua nell’aria e luce solare proveniente da dietro l’osservatore ad una bassa altezza. L’arcobaleno più spettacolare si può vedere quando metà del cielo è ancora scuro per le nuvole di pioggia e l’osservatore si trova in un punto con il cielo pulito sopra. L’effetto dell’arcobaleno è anche comune vicino alle cascate o alle fontane. A volte si possono vedere frange di arcobaleno ai bordi delle nuvole illuminate da dietro e come bande verticali nella pioggia distante o nelle virghe. L’effetto si può anche creare artificialmente disperdendo goccioline di acqua nell’aria durante un giorno soleggiato. L’aspetto di un arcobaleno è provocato dalla dispersione ottica della luce solare che attraversa le gocce di pioggia. La luce viene prima rifratta quando entra nella superficie della goccia, riflessa sul retro della goccia e ancora rifratta uscendo dalla goccia. L’effetto complessivo è che la luce in arrivo viene riflessa in una larga gamma di angoli, con la luce più intensa riflessa con un angolo di 40°–42°. L’angolo è indipendente dalla dimensione della goccia, ma dipende dal suo indice di rifrazione. L’acqua del mare ha un indice più alto di quella della pioggia, quindi il raggio di un arcobaleno negli spruzzi di acqua di mare è più piccolo di quello di un arcobaleno di pioggia. Questo è visibile a occhio nudo dal disallineamento di questi due archi.

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La quantità di luce che viene rifratta dipende dalla sua lunghezza d’onda, e quindi dal suo colore. La luce blu (onde più corte) viene rifratta ad un angolo più grande di quella rossa, ma siccome l’area nel retro di una gocciolina ha un punto focale al suo interno, lo spettro lo attraversa, e così la luce rossa appare più alta nel cielo, formando i colori esterni dell’arcobaleno. La luce dietro alle gocce di pioggia non va in riflessione interna totale e un poco di luce emerge dal retro; tuttavia, la luce che viene fuori dal retro della goccia non crea un arcobaleno tra l’osservatore e il sole perché lo spettro emesso dal retro non ha un massimo di intensità, come hanno gli altri arcobaleni visibili, e quindi i colori si mescolano tra loro piuttosto che formare un arcobaleno.

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Un arcobaleno non è qualcosa di concreto che abbia esistenza effettiva in una particolare posizione del cielo. Si tratta solo di un fenomeno ottico la cui posizione apparente dipende dal punto in cui si trova l’osservatore e dalla posizione del sole. La posizione di un arcobaleno nel cielo è sempre dalla parte opposta rispetto al sole, e l’interno è sempre leggermente più luminoso dell’esterno. Tutte le gocce di pioggia rifrangono la luce solare nello stesso modo, ma solo la luce di alcune di esse raggiunge l’occhio dell’osservatore. Questa luce è quella che costituisce l’arcobaleno per quel determinato osservatore. L’arco è centrato sull’ombra della testa dell’osservatore, e più precisamente nel nadir (che si trova sotto all’orizzonte durante il giorno), apparendo ad un angolo di 40°–42° rispetto alla linea tra la testa dell’osservatore e la sua ombra. Come risultato, se il sole è più alto di 42°, allora l’arcobaleno si trova sotto l’orizzonte e non può essere visto siccome di solito non ci sono abbastanza goccioline di pioggia tra l’orizzonte (che è l’altezza degli occhi) e la terra per contribuirvi. Eccezioni avvengono quando l’osservatore si trova sopra la terra, per esempio su di un aeroplano (vedi figura), su di una montagna o su di una cascata. Un arcobaleno può essere generato utilizzando uno spruzzino da giardino, ma perché vi siano abbastanza gocce, esse devono essere molto fini.

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È difficile fotografare l’arco completo di un arcobaleno, poiché questo richiede un angolo visivo di 84°. Con una fotocamera formato 35 mm, è necessaria una lente con una lunghezza focale di 19 mm, mentre la maggior parte delle fotocamere compatte è dotata di lenti con focale minima di 28 mm. Un sistema per aggirare questo limite è l’utilizzo di appositi programmi, facilmente reperibili in rete, che permettono di fare un “collage” di più immagini. Da un aeroplano, si ha l’opportunità di vedere un cerchio intero di arcobaleno, con l’ombra dell’aereo nel suo centro. Questo fenomeno potrebbe essere confuso con il fenomeno gloria, ma un gloria è solitamente molto più piccolo, coprendo solo 5°–20°.

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Varianti

A volte un arcobaleno secondario, più scuro e più grosso, è visibile all’esterno dell’arco primario. Gli arcobaleni secondari sono provocati da una doppia riflessione della luce solare dentro le gocce di pioggia, e appare ad un angolo di 50°–53°. Come risultato della seconda riflessione, i colori dell’arcobaleno secondario sono invertiti in confronto a quelli del primario, con il blu all’esterno e il rosso all’interno. L’area scura di cielo non illuminato posta tra l’arcobaleno primario e quello secondario viene chiamata banda di Alessandro, da Alessandro di Afrodisia che la descrisse per primo. Un terzo, o triplo, arcobaleno si può vedere in rare occasioni, e pochissimi osservatori hanno riportato l’avvistamento di arcobaleni quadrupli, nei quali l’arco più esterno, molto più fioco, aveva un aspetto increspato e pulsante. Questi arcobaleni apparirebbero dallo stesso lato nel cielo dove si trova il sole, rendendoli molto difficili da avvistare.

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Altre volte può essere osservato un altro meraviglioso fenomeno di arcobaleno, consistente in diversi deboli arcobaleni nel lato interno dell’arco primario e, molto raramente, anche all’esterno di quello secondario. Sono leggermente separati ed hanno bande di colori pastello che non entrano nello schema classico. Questi sono conosciuti come arcobaleni “supernumerosi”, e non è possibile spiegare la loro esistenza utilizzando la geometria ottica classica. I fiochi archi alternati sono provocati da interferenze tra i raggi di luce che seguono percorsi leggermente diversi con lunghezza d’onda leggermente diverse all’interno delle gocce di pioggia. Alcuni raggi sono in fase rinforzandosi l’un l’altro attraverso una interferenza costruttiva, creando una banda molto luminosa; altri sono fuori fase fino a mezza lunghezza d’onda, cancellandosi a vicenda attraverso interferenza distruttiva, creando un buco. Data la differenza tra gli angoli di rifrazione per raggi di diversi colori, i modelli dell’interferenza sono leggermente diversi per questi ultimi, così ogni banda luminosa è differenziata nel colore, creando un arcobaleno in miniatura. Gli arcobaleni supernumerosi sono meglio visibili quando le gocce di pioggia sono piccole e di dimensioni simili. L’esistenza reale di tale tipo di arcobaleno è stato storicamente un primo indizio della natura ondulatoria della luce e la prima spiegazione fu fornita da Thomas Young nel 1804.

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Altre varianti di arcobaleno vengono prodotte quando la luce solare si riflette su una massa di acqua. Là dove la luce si riflette sull’acqua prima di raggiungere le gocce di pioggia, si produce un arcobaleno di riflesso. Questi arcobaleni condividono gli stessi punti finali del normale arcobaleno ma hanno un arco molto più grande quando tutto esso è visibile. Sia l’arco primario che quello secondario riflessi possono essere osservati. Un arcobaleno riflesso, in contrasto, viene prodotto quando la luce che è stata prima riflessa dentro le gocce viene riflessa da una massa di acqua prima di raggiungere l’osservatore. Un arcobaleno riflesso non è una immagine specchiata dell’arco primario, ma è posizionata ad un angolo dipendente dall’altezza del sole.

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