martedì 28 maggio 2019

Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 3/7: RADIO e MICROONDE sono onde EM

















Eccoci al 3° appuntamento con la Radiazione ElettroMagnetica o EMR, le onde Radio e Microonde.

Ricordo che in generale le onde EM sono generate da cariche elettriche, si propagano nel vuoto con la stessa velocità, indipendente dalla frequenza, e interagiscono con cariche elettriche.

Ricordo anche il concetto generale, da avere ben presente, che in ogni istante della nostra vita, 24 ore su 24, siamo totalmente immersi nelle EMR che ci arrivano da diverse sorgenti, vediamole in modo sintetico:

- dal Sole e dalle altre stelle dell'Universo, grazie alle reazioni nucleari che si svolgono costantemente al loro interno, arrivano radiazione visibile (Luce) ed IR infrarossi (perché i raggi gamma, X, UV vengono schermati dall'atmosfera)
- dalla antenne trasmittenti arrivano onde delle televisioni, delle radio, dei telefoni cellulari, prodotte da cariche elettriche che oscillano nell’antenna
- dai corpi caldi e da qualunque sorgente luminosa arrivano onde EMR emesse dalle vibrazioni atomiche e dai salti quantici degli elettroni nei gusci
- dalle sostanze radioattive (Uranio, Plutonio) nel suolo provengono radiazioni di alta energia (raggi gamma, raggi X)

Punto importante: queste onde, apparentemente così diverse, sono in realtà tutte onde
elettromagnetiche (EMR), e differiscono tra loro soltanto per la frequenza !!


- Le onde radio e le microonde sono onde EM.
Esse trasportano suoni e voci nell'etere.

















Se notate, nell'immagine qui sopra, nella parte bassa c'è un onda ed è la nostra onda EM.
"Low frequency" o bassa frequenza 
andando verso sinistra essa diventa più "lunga" e lenta perché l'onda si allunga
"High frequency" o alta frequenza
andando verso destra l'onda diventa gradualmente più "corta" e veloce perché si accorcia

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In ogni post di questa serie ripropongo il ripasso flash, per vostra comodità, di com'è composta quest'onda.
Le 3 caratteristiche principali di una onda sono:

- lunghezza d'onda (wavelength), la distanza tra due creste successive
- ampiezza (amplitude), la distanza tra una cresta ed il piano mediano che interseca l'onda
- frequenza (frequency), la quantità di oscillazioni (oscillations) che l'onda compie nell'unità di tempo (con unità di misura Hertz, oscillazioni al secondo).

La frequenza è inversamente proporzionale alla lunghezza d'onda: minore è la lunghezza d'onda, maggiore è la frequenza, e viceversa.





Ecco qui, sempre per avere più opportunità di comprendere bene, un'altra immagine dove si vede bene cos'è la singola oscillazione. 




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Con le radiazioni di cui parliamo oggi ci troviamo nelle basse frequenze, le cariche elettriche sono "elettroni liberi di muoversi nei conduttori metallici di antenne o elettroni liberi e ioni nello spazio".
(Più avanti nel post torno a spiegare cosa sono gli ioni).


Sono caratterizzate dalle maggiori lunghezze d’onda, superiori a 1 millimetro.
Le onde radio a maggiore frequenza sono dette Microonde.











- Dove si posizionano onde radio e microonde 
nello spettro EM?














































Come vedete qui sopra, siamo assolutamente ancora nella fascia delle onde Non Ionizzanti, quindi non pericolose per la salute; c'è qui tuttavia da dire che ci sono studi ancora in corso per stabilire come tali onde possano diventare pericolose per la salute e vanno monitorate, quando si verificano esposizioni eccessive e/o discrete ma prolungate nel tempo. 



Le onde radio sono impiegate

> in radiotelegrafia
> nelle trasmissioni radiofoniche
> nelle trasmissioni telefoniche
> nelle trasmissioni televisive
> nei radar
> nei sistemi di navigazione
> nelle comunicazioni spaziali

Nello spazio, oggetti quali stelle e galassie, comete, pianeti, gas e polveri (sì, anche gas e polveri!!!), emettono EMR a diverse lunghezze d’onda, anche con lunghezza d’onda nella banda radio dello spettro EM: da qui si è sviluppata la Radioastronomia.

Nell'attraversare l'atmosfera le onde radio subiscono interferenze.




Nell'immagine qui sopra, tabella a freccia, se osservate bene la terza voce da sinistra,
la voce umana si trova tra le più basse in questa gamma, 300-3.000 Hz, quindi la fascia delle Ultra Low Frequency.

Troviamo così le frequenze:
- estremamente basse (Extremely Low F - ELF)  
- super basse (Super Low F - SLF)
- ultra basse (Ultra Low F - ULF) ="ultralunghe"
- molto basse (Very Low F - VLF) ="lunghissime"
- basse (Low F - LF) ="lunghe"
- medie (Medium F - MF) = "medie"
- alte (High F - HF)  = "corte"
- molto alte (Very High F - VHF) = "cortissime"
- ultra alte (Ultra High F - UHF) = "ultracorte"
- microonde (Super High F - SHF) = "microonde"
- estremamente alte (Extremely High F - EHF)
- tremendamente alte (Tremendously High F o Terahertz - THF)
















Fu lo Scienziato Heinrich Hertz a fare uno studio completo sulle onde EM, l'unità di misura che in seguito ed a sua memoria fu chiamata Hertz (abbreviazione Hz)

L'unità di misura in Hz stabilisce quante oscillazioni (sinusoidi) perfette, una determinata frequenza radio compie in un secondo. 

Lo Scienziato Hertz non solo stabilì la quantità delle oscillazioni ma determinò la distanza in metri che intercorre fra due semionde siano esse positive o negative. Pertanto:
- la frequenza delle onde radio (quante in 1 secondo) si misura in Hz mentre
- la lunghezza d'onda corrispondente alla frequenza (in 1 secondo che distanza), si misura in metri


Nella prossima tabella vedete in dettaglio queste frequenze con le rispettive bande in Hz e le lunghezze d'onda. Notate come si parta da oltre i 100.000 chilometri per arrivare fino alle lunghezze inferiori al millimetro.
I multipli dell'Hertz sono:
KHz (Kilohertz) = a 1.000 Hz
MHz (Megahertz)= a 1.000.000 di Hz
GHz (Gigahertz) = a 1.000.000.000 di Hz






Considerate però che con questa classificazione abbiamo descritto solo la prima sezione di sinistra delle onde EM (nel post 4/4 - Viaggio attraverso l'atmosfera, vediamo le varie applicazioni salendo di quota).




Ecco un'altra tabella che da ulteriori informazioni sulla propagazione (terra o spazio) e le applicazioni relative


























Qui sotto altra tabella con maggiori ed interessanti dettagli, in questo caso per le più basse frequenze si parte dal basso. Premetto qualche spiegazione.

- ELF (frequenze sotto i 3 kHz, corrispondenti a lunghezze d'onda superiori ai 100 km)
Queste onde sono usate nei sistemi di comunicazione per i sottomarini.
L'acqua del mare presenta un assorbimento molto basso per onde tra i 5 e i 100 Hz.

- VLF-LF-MF (3 KHz – 3 MHz, 100 Km – 100 m)
Queste bande di frequenze sono usate per sistemi di navigazione e per trasmissioni radio AM (Amplitude Modulation). Possono propagarsi sia per onda spaziale (riflessa dalla ionosfera) sia per onda di superficie per terra e per mare (nella banda VLF, le comunicazioni radio marittime
possono propagarsi come onde di superficie per migliaia di chilometri, a causa dell'alta conduttività dell'acqua salata).
Comprendono le onde lunghe e le onde medie.
Trasmissioni radio AM in onde medie (es. 526 KHz – 1620 KHz).



- HF (3 MHz – 30 MHz, 100 m – 10 m), onde corte.
Le onde corte sfruttano bene l’onda spaziale.
Trasmissioni internazionali (onde corte) tra 5.9 MHz e 26.1 MHz.

- VHF – UHF (30 MHz – 3 GHz, 10 m – 10 cm).
Le frequenze di questa banda (> 30 MHz) sono utilizzate per comunicazioni dirette (le onde EM non vengono riflesse dalla ionosfera).
Trasmissioni radio FM (es. 88 – 108 MHz), e televisive VHF e UHF.
La maggior parte della banda UHF è usata per i collegamenti a microonde e per la telefonia cellulare.




































Le Microonde 
appartengono alle bande di frequenza UHF, SHF e EHF, quindi, rispetto alla nostra fascia considerata, le onde più energetiche e di frequenza maggiore.
(1 GHz – 300 GHz, 30 cm – 1 mm).




Telefonia cellulare 
(GSM, 850, 900, 1800, 1900 MHz. 
Le frequenze variano a seconda degli Stati in cui la rete stessa è installata:
- in Europa 900/1800 MHz 
- negli Stati Uniti 850/1900 MHz).
Reti wireless 
(Wi-Fi, 2.4 GHz, 5.8 GHz; Bluetooth, 2.4 GHz).
Forni a microonde domestici 
(2.45 GHz).
Radar 
operano in bande di frequenze tra 1 e 110 GHz.


Caratteristiche delle Microonde:
- attraversano l'atmosfera terrestre senza subire interferenze, come accade invece per le onde radio 
- possono penetrare attraverso nubi e foschia, a differenza della radiazione visibile e infrarossa (che hanno lunghezza d’onda inferiore) 



Sono quindi utilizzate in:
> Comunicazioni con satelliti
> Global Positioning System (GPS)
> Remote Sensing (Telerilevamento) per lo studio della Terra e dei pianeti
> Radioastronomia
> Cosmic Microwave Background (Radiazione Cosmica di Fondo a Microonde o Radiazione Fossile)

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Prima di proseguire, credo sia interessante inserire una curiosità ed un breve approfondimento di questi punti.


Come fa il forno a microonde 
a cuocere o riscaldare il cibo?


Mentre nei forni elettrici si scalda l'aria circostante il cibo, così che il cibo stesso viene riscaldato dall'esterno, qui invece si scalda il cibo dall'interno: le molecole dell'acqua e altre molecole nel cibo hanno un dipolo elettrico proprio; investite dalle microonde esse ruotano cercando di allinearsi al campo elettrico oscillante, e questo movimento molecolare genera calore.
Il processo è detto "riscaldamento dielettrico".

Il dipolo dell'acqua: la molecola d'acqua è composta da 1 atomo di Ossigeno, molto elettronegativo, e 2 atomi di Idrogeno, poco elettronegativo.





Radar (Acronimo di "radio detection and ranging“ cioè radiorilevamento e misurazione di distanza)
I Radar utilizzano le microonde per rilevare a distanza la presenza ed il movimento di oggetti.
I fasci Radar consistono di brevi impulsi di microonde.






La distanza di un oggetto (nave, aeroplano, ecc…) può essere determinata misurando il tempo impiegato dall’impulso per arrivare all’oggetto e, dopo riflessione, ritornare all’antenna.







Telerilevamento
- E' la tecnologia che permette di ricavare informazioni sulla Terra (nelle sue componenti di terra solida, idrosfera, biosfera, atmosfera) e su oggetti posti a distanza (ad esempio pianeti) mediante misure di radiazione elettromagnetica, emessa, riflessa o trasmessa. Esso utilizza foto o dati numerici rilevati da aerei, satelliti o sonde spaziali per caratterizzare la superficie di un pianeta.

I sensori utilizzati sono
> il Radar (sensore "attivo" perché rileva EMR riflessione di una trasmissione attiva) può essere utilizzato per mappare superfici non solo in condizioni atmosferiche difficili (come del resto i sensori a microonde passivi) ma può anche lavorare in qualsiasi istante, giorno e notte
> i radiometri (sensori "passivi" perché rilevano EMR emesse da altra sorgente) rilevano energia che può essere
-- emessa dall’atmosfera
-- riflessa dalla superficie
-- emessa dalla superficie o
-- trasmessa dalla sotto-superficie
Applicazioni alla idrologia, oceanografia e meteorologia (a seconda della lunghezza d’onda utilizzata, con la radiazione da microonde si può guardare attraverso l’atmosfera oppure l’atmosfera).


Radioastronomia
studia EMR di lunghezza d’onda (e di frequenza) compresa tra 10 metri e 1 millimetro (30 MHz e 300 GHz), banda in cui ionosfera e atmosfera terrestre risultano trasparenti.



Considerando che:
- un'onda breve fornisce dettagli molto più particolareggiati rispetto ad un'onda lunga

e che
- le onde radio sono tutte, come abbiamo visto, onde medio-lunghe rispetto alle altre radiazioni IR, visibile, UV etc

ne consegue che
la Radioastronomia, che studia proprio le onde radio, per fornire una definizione altrettanto buona quanto quella delle onde corte ha bisogno di raccoglitori di onde incredibilmente grandi. Per questo motivo è nata l'interferometria.


Tra i campi di ricerca della radioastronomia
- la caratterizzazione dei corpi che si avvicinano alla Terra e
- i Fast Radio Burst (FRB), i lampi veloci che si accendono nel cielo brillando a onde radio




Tra gli argomenti studiati, qualche terminologia tecnica difficile da comprendere, accenno soltanto senza approfondire. 
- Emissione termica
 Radiazione di "corpo nero"
 Emissione da gas ionizzato (moto di elettroni in un plasma)
- Radiazione di sincrotrone
- Emissioni a frequenze discrete (una riga spettrale importante è quella dell’atomo di idrogeno H alla lunghezza d’onda di 21 cm -1420 MHz)

La radioastronomia ha portato notevoli sollecitazioni alla ricerca astronomica, in particolare favorendo la scoperta di diverse nuove classi di oggetti:
Pulsar 
Quasar 
- galassie attive (o radio-galassie)



Radiazione Cosmica di Fondo a Microonde
(Cosmic Microwave Background, CMB).

Un rumore di fondo che da un segnale a microonde proveniente da ogni direzione del cielo, presente giorno e notte, e che corrisponde ad una lunghezza d'onda di 1,9 mm, ad una
 temperatura di circa 3 K = -270°C ! (per essere precisi -270,425. Può essere interessante andare a scoprire quali sono nell'Universo i "Cold Spot", i punti più freddi)
Scoperto da due scienziati dei Laboratori Bell, Arno Penzias e Robert Wilson, nel 1964, mentre stavano cercando tutt'altro.




Radio Interferometria
Non spaventatevi, la parola è molto più complicata dell'idea semplice e geniale che rappresenta.

I radiointerferometri consistono di 2 o più antenne, posizionate anche a grande distanza, che osservano contemporaneamente la radiazione emessa dallo stesso oggetto.
Le osservazioni ottenute da ciascuna antenna (i tracciati di "ampiezza" e "fase" in funzione del tempo) vengono poi sovrapposte, ossia fatte "interferire".

Grazie all'analisi di queste interferenze (da qui il termine "Interfero-metria") si ottiene una risoluzione equivalente a quella di un radiotelescopio con un diametro uguale alla separazione massima fra le antenne utilizzate ("sintesi di apertura"), quindi enormemente più grande.

Nell'immagine sopra, the Very Large Array (VLA), Socorro, New Mexico, Stati Uniti; 27 antenne indipendenti, ciascuna di 25 metri di diametro.

Nell'immagine a fianco, abbiamo il Very Long Baseline Interferometry (VLBI), che comprende l'European VLBI Network (EVN). Come vedete radiointerferometri sparsi in tutto il mondo che consentono, lavorando in rete, di ottenere risultati eccezionali.







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Ecco qualche comoda tabella che efficacemente ci da il quadro generale e ci mostra alcune applicazioni tecnologiche riguardanti onde Radio e Microonde, così come al solito potete verificare quanto avete compreso fino a questo punto, avendo la tabella l'indicazione sia delle frequenze, sia dell'onda EM.























Bene, proseguiamo.

Come si propagano le onde radio?
                                                                 



onde di terra o di superficie ("ground wave", seguono la conformazione terrestre)

             

onde spaziali
("space wave", si propagano nello spazio o verso il cielo. Possono essere anche direttive e possono essere anche riflesse sia dal cielo e sia anche da ostacoli come montagne, colline od altre masse anche metalliche di notevole dimensione, navi, aerei, etc).                                     





La propagazione delle onde radio dipende da diversi fattori:
- l'attività del Sole (come abbiamo visto, più l'aria è ionizzata, meglio rimbalzano le onde)
- la conformazione della Terra
- l'atmosfera (la Ionosfera)
- le due Fasi giorno e notte




                                                       
Non esistono foto che possano far vedere realmente come si propagano le onde radio.
Tuttavia possiamo ricorrere a delle animazioni, come quelle proposte nel primo post di questa serie a proposito della dualità onda-corpuscolo, oppure ricorrere all'immaginazione personale oppure, come scritto in tanti libri, portarsi presso un laghetto ove le acque siano calme.
"Gettate un sasso verso il centro e vedrete produrre delle onde che si allargano in modo uniforme a 360 gradi verso l'esterno. Gettatene un altro ed un altro ancora, noterete che ad ogni gettata corrisponde una formazione di onde che non andranno a disturbare affatto quelle prodotte in precedenza. L'unica differenza che corre in questo esempio è che le onde radio si propagano in tutti i sensi come quando accendete una lampada completamente scoperta nel buio".


Che trasformazione avviene nella Ionosfera?


La porzione più esterna della mesosfera assieme alla termosfera ed esosfera forma la Ionosfera:
una ampia zona atmosferica che contiene alta concentrazione di Ioni, particelle con carica elettrica per aver perso o acquistato elettroni.



Le radiazioni UV ionizzano l’alta atmosfera e, a seconda della loro frequenza vi penetrano più o meno profondamente e producono strati ionizzati ad altezze diverse.



La densità degli elettroni e ioni presenti nella ionosfera varia a seconda della quota.
Inoltre la densità degli strati ionizzati dipende dalla variazione diurna.
Di conseguenza, onde radio a frequenza diversa vengono riflesse da strati di densità diversa.




Ricordo "al volo", come si dice, che la ionizzazione 
è la generazione di uno o più ioni in seguito a 2 processi:

> rimozione di elettroni da un atomo o una molecola neutri: 
- eccedono le cariche positive dei protoni
Ione Positivo (Ione+) 
atomo con meno elettroni  



>>> questo a noi fa male
L'energia ben definita che serve per strappare un elettrone è detta Energia di Ionizzazione




> addizione di elettroni da un atomo o una molecola neutri: 
- eccedono le cariche negative degli elettroni
Ione Negativo (Ione-)
atomo con più elettroni  




>>> questo a noi fa proprio bene


Funzioni degli Ioni Negativi:

- rigenerazione cellulare
- miglioramento delle funzionalità fisiche organiche
- rilassamento del sistema nervoso
- azione detossificante ed ossigenante




In poche parole, 

se "togli" è più positivo, se "aggiungi" è più negativo.
Tradotto, se "togli" (un elettrone e-), l'atomo diventa più positivo (diventa Ione+).
Se "aggiungi" (un elettrone e-), l'atomo diventa più negativo (diventa Ione-).
Per la cronaca, l'atomo è neutro, mentre in seguito a ionizzazione gli Ioni sono elettricamente carichi, in + e in -.

(Nota Bene: l'atomo ionizzato di un elemento chimico ha le stesse caratteristiche chimico-fisiche di un atomo neutro dello stesso elemento, visto che è il nucleo atomico a determinare le caratteristiche chimiche e fisiche dell'atomo e il numero dei protoni rimane invariato).

Sarà interessante, per chi è curioso, vedere i due link che inserisco qui:
- uno contenente una breve animazione che spiega come si formano le Aurore Polari 
- l'altro il video completo della Nasa, tradotto in italiano e pubblicato dalla Prof.ssa Macario del Liceo Copernico di Prato.




La trasformazione provocata dalla Ionizzazione può essere causata da collisioni tra particelle o per assorbimento di radiazioni (come nel caso dei brillamenti solari).


Qui è il Sole che opera questa trasformazione, attraverso la radiazionultravioletta UV, i raggi X e i fasci di elettroni.








L'aria è estremamente rarefatta, trovandosi così molto esposta alle particelle del vento solare e ai raggi UV e X del Sole, e in misura molto minore ai raggi cosmici. 
Essendo rarefatta, gli atomi sono molto lontani gli uni dagli altri e una volta che sono ionizzati permangono a lungo in questo stato, per la scarsa probabilità che ha un elettrone o un protone di trovare altre particelle per ricombinarsi.

Nella ionosfera, quindi, i gas atmosferici sono fortemente ionizzati, in pratica gli strati esterni dell'atmosfera sono esposti alla radiazione solare diretta (non filtrata), che strappa gli elettroni dagli atomi e dalle molecole (quindi energia di ionizzazione che produce Ioni Positivi).

La Ionosfera ha uno spessore di diverse centinaia di km e assorbe buona parte delle radiazioni ionizzanti provenienti dallo spazio.


Nella termosfera il fenomeno delle Aurore è appunto dovuto all'azione delle radiazioni provenienti dal Sole, che colpiscono le molecole dei gas atmosferici, trasformandole in particelle cariche, che sono attratte magneticamente dai poli secondo le linee guida del dipolo terrestre.

Le interazioni sono quindi tra protoni ed elettroni del vento solare con i gas, azoto N e ossigeno O, presenti nell'alta atmosfera (queste sono le aurore ovali che si formano in bassa quota: recentemente si è anche scoperto che un'altro tipo di aurore, quelle più vicine ai poli e con una forma che ricorda la lettera greca Teta, si formano non per lo scontro col vento solare bensì negli strati alti dell'atmosfera grazie all'interazione con 'sacche' di particelle cariche (plasma) .

La temperatura cinetica raggiunge i 1200-1700°C: questo incremento della temperatura è dovuto all'assorbimento dell'intensa radiazione solare di frequenza elevata, onde molto corte, da parte delle rimanenti molecole di ossigeno e azoto.

In definitiva vengono intercettati i raggi X e la parte dannosa dei raggi UV provenienti dal Sole e ionizzati nella Ionosfera, mentre passano raggiungendo la superficie terrestre i raggi radio, luminosi ed infrarossi.



Gli Ioni così formati tendono a concentrarsi in 4 fasce principali D, E, F1, F2 a differenti quote.











Il ruolo della Ionosfera


Il campo elettrico associato agli ioni (particelle cariche elettricamente) disturba la propagazione delle onde radio, provocandone la riflessione.

Queste particelle ionizzate sono molto importanti per le telecomunicazioni, proprio per questa loro capacità di riflettere al suolo le onde radio provenienti dalla Terra in una direzione diversa da quella di provenienza.




Questo fenomeno è ampiamente sfruttato nelle trasmissioni radio a Modulazione di Ampiezza (AM): le EMR trasmesse da un’emittente sono riflesse dalla ionosfera (in particolare dallo strato D) rimbalzando al suolo per poi venir nuovamente riflesse dalla ionosfera e così via (post 4/4 - Viaggio attraverso l'atmosfera, per le altitudini dei vari strati).



Grazie a questo ampio strato atmosferico, la Ionosfera, è possibile che le trasmissioni radio vengano trasmesse in più punti della superficie terrestre, mentre per le trasmissioni televisive, per esempio, occorrono ripetitori opportunamente ubicati sulla Terra o sistemati su appositi satelliti artificiali che ritrasmettono il segnale televisivo nel punto desiderato della superficie terrestre.






Ma questo accade tutto il giorno?


Tuttavia, proprio perché la formazione degli ioni è dovuta in gran parte al Soledi notte gli ioni si riducono notevolmente 













La fascia D e parte della E si cancellano: gli elettroni di queste 2 fasce hanno tempo di ricombinarsi con i protoni e quindi l’equilibrio dinamico si “sposta” verso una sensibile diminuzione della concentrazione complessiva di ioni, cancellando l’esistenza di questi strati.

Questo, se da un lato rende le trasmissioni meno disturbate, dall'altro le fa diventare anche meno efficienti per l’assenza dello strato D, più vicino. 
In compenso, di notte però è possibile captare meglio stazioni radio lontane anche migliaia di km, grazie alla riflessione dello strato F (F1 ed F2).

Lo strato F2 è sensibile alle variazioni X di breve periodo
gli strati F1, E e D a quelle a lungo periodo, giornaliere, stagionali o annuali.
Lo strato D è solo diurno
E, F1 ed F2 sono diurni e notturni



Vediamo in dettaglio come si comportano i vari Ioni nelle distinte fasce, di giorno:



- nello strato D la ionizzazione è molto intensa durante il giorno. Diviene quasi nulla durante la notte.
- nello strato E la ionizzazione può avvenire soltanto temporaneamente. Durante le stagioni calde, può essere anche intensa. Il fenomeno favorisce di molto le onde radio che possono riflettersi anche a grande distanza sul pianeta.
- gli strati F1 e F2 sono separati di giorno ed uniti di notte; la ionizzazione di questi strati è notevole e rimane difficile alle onde radio attraversarli e, pertanto, in particolare di notte, quasi tutte le onde radio vengono riflesse verso il pianeta stesso.
La ionizzazione raggiunge il massimo nello strato F2 che, durante la notte, risente anche dei raggi cosmici.

Fortunatamente solo alcune onde radio hanno la proprietà di attraversare indenni questi strati. Ebbene queste onde radio sono quelle che appartengono alla categoria delle VHF - UHF e SHF.


di notte:





















Lieto di aver concluso anche questa 3^ sezione delle onde ElettroMagnetiche, vi aspetto a breve al quarto stadio, gli infrarossi IR. Tenetevi quindi "caldi"...



Riassunto catena post:
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 1/7: ma cos'è? 
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 2/7: la LUCE VISIBILE è un'onda EM
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 3/7: RADIO e MICROONDE sono onde EM 
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 4/7: i raggi IR-INFRAROSSI sono onde EM 
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 5/7: i raggi UV-ULTRAVIOLETTI sono onde EM 
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 6/7: i raggi X sono onde EM
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 7/7: i raggi GAMMA sono onde EM 


mercoledì 8 maggio 2019

Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 2/7: la LUCE VISIBILE è un'onda EM



2° appuntamento con la radiazione ElettroMagnetica (che per comodità chiamiamo brevemente EMR o radiazione EM).
In corretta sequenza, dopo la presentazione generale, avrei dovuto iniziare ad un estremo dello Spettro, con le onde Radio, ma ho deciso di partire con la radiazione che ci è più familiare, la LUCE VISIBILE.

All'interno dello spettro EM, che è costituito come dicevamo, dall'insieme delle radiazioni EM e comprende l'intera gamma delle lunghezze d'onda esistenti in natura, solo una piccolissima porzione appartiene allo spettro visibile, cioè all'insieme delle lunghezze d'onda a cui l'occhio umano è sensibile e che sono alla base della percezione dei colori.

La luce visibile è per noi l'approccio più diretto e comprensibile dello spettro EM, perché sappiamo cos'è, lo riconosciamo.
L'aggettivo "visibile" ci dice che quella che vediamo con gli occhi è però solo una parte della Luce totale.

Quindi quant'è questa "parte" o percentuale?
In realtà la risposta è: davvero molto poca!!!
(come poca è la quantità di onde sonore che il nostro orecchio può percepire rispetto alla vasta gamma disponibile, in questo senso i nostri sensi sono davvero limitati e "studiati" per adattarsi all'ambiente meraviglioso ed unico in cui viviamo)



- La luce visibile è un'onda EM

Come molti di voi ricorderanno dalle lezioni di Scienze a scuola, tre secoli fa il grande scienziato inglese Newton scoprì che, quando un raggio di luce solare entra in un prisma di vetro, le componenti cromatiche associate alle lunghezze d'onda subiscono una rifrazione che è diversa per ciascuna di esse, su di uno schermo posto dopo il prisma: la luce sarà dispersa, colore per colore, su una vasta zona. 




Traducendo:
scomposto da un prisma di vetro, il raggio di luce visibile che sembra bianco (monocromatico) è in realtà composto dalla somma dei colori dell'arcobaleno che conosciamo, ma ognuno di quei colori, con tutte le sue numerose gradazioni, corrisponde ad una precisa lunghezza d'onda definita in nanometri "nm".



Brevissimamente, ma proprio flash, vediamo com'è composta quest'onda.


Le 3 caratteristiche principali di una onda sono:

- lunghezza d'onda (wavelength), la distanza tra due creste successive
- ampiezza (amplitude), la distanza tra una cresta ed il piano mediano che interseca l'onda
- frequenza (frequency), la quantità di oscillazioni (oscillations) che l'onda compie nell'unità di tempo (con unità di misura Hertz, oscillazioni al secondo).

La frequenza è inversamente proporzionale alla lunghezza d'onda: minore è la lunghezza d'onda, maggiore è la frequenza, e viceversa.





Ecco qui, sempre per avere più opportunità di comprendere bene, un'altra immagine dove si vede bene cos'è la singola oscillazione. 





La cosa interessante che può essere utile sapere è che ai fini della visione dei colori, 
l'ampiezza dell'onda influisce sull'intensità luminosa dello stimolo elaborato dal cervello, mentre 
la lunghezza dell'onda influenza la tonalità del colore percepito.
Ad esempio, l'onda elettromagnetica di lunghezza compresa tra i 650 e i 700 nanometri (nm) provoca in una persona con capacità visiva normale la visione del colore rosso.



- Dove si posiziona la luce visibile nello spettro EM?

Nella lunga scala che contiene tutta la radiazione EMlo spettro della luce visibile all'occhio umano è limitato come vedete ad una piccola porzione, quella che va:

da 750 nanometri nm (colore rosso) 
a 400 nanometri nm (colore viola)


Ricordate bene, perché questa è la nostra soglia nel visibile!

Lunghezze d'onda e frequenze corrispondenti a questi colori























Per curiosità, nel dettaglio, eccovi in nanometri le varie gradazioni dei colori spettrali:
>>> da 400 a 430 nm: zona del violetto
>>>  da 430 a 490 nm: zona del BLU e sue seguenti tonalità intermedie:
da 430 a 465 nm : indaco
da 466 a 482 nm : blu
da 483 a 490 nm : blu verdastro
>>>  da 491 a 560 nm: zona del VERDE e sue seguenti tonalità intermedie:
da 490 a 498 nm : verde bluastro
da 499 a 530 nm : verde
da 531 a 560 nm : verde giallastro
>>>  da 561 a 580 nm: zona del GIALLO e sue seguenti tonalità intermedie:
da 561 a 570 nm : giallo-verde
da 571 a 575 nm : giallo citrino
da 576 a 580 nm : giallo
>>>  da 581 a 620 nm:  zona dell'ARANCIONE e sue seguenti tonalità intermedie:
da 581 a 586 nm: arancione giallastro
da 587 a 596 nm : arancione
da 597 a 620 nm : arancione rossastro
>>>  da 620 a 700 nm :  zona del ROSSO e sue tonalità intermedie:
da 621 a 680 nm : rosso
da 681 a 700 nm : rosso profondo



Colori spettrali:
sono componenti identificabili attraverso la scomposizione (spettro) della luce bianca attraverso il prisma, cioé quelli qui sopra
Colori non spettrali:
non sono colori spettrali, ma altri colori visibili, come il rosa e il marrone, generati da una mescolanza di due o più dei colori spettrali
Porpore:
mescolando in varie proporzioni i due colori estremi dello spettro visibile, il rosso e il violetto, si ottiene tutta una gamma di colori non spettrali


Osservate l'immagine qui sotto; abbiamo tutta la scala della radiazione EM generale, il cosiddetto Spettro EM, dove ai due estremi abbiamo le Onde Radio (a sinistra) e i Raggi Gamma (a destra),
ma attenzione

come già detto, a volte trovate schemi con invertite le posizioni
(quindi "x, gamma" a sinistra e "infrarossi e radio" a destra).

Basta non fare confusione e ricordare che verso le onde radio l'onda si allunga verso i chilometri, mentre in direzione dei raggi gamma si accorcia fino al microscopico.
Può anche aiutare ricordare che parte degli ultravioletti è assolutamente dannosa per gli esseri umani, così come i raggi X e i raggi Gamma (onde ionizzanti), mentre l'altra parte degli ultravioletti assieme agli infrarossi e radio è innocua (onde non ionizzanti).













La stessa immagine, invertita come già avvisato può succedere, in inglese








Questo concetto è più chiaro nelle prossime 2 immagini, dove vedete chiaramente l'onda (a sinistra è molto lunga e poco frequente - radio - mentre procedendo verso i raggi gamma diventa sempre più corta e più frequente andando verso il mondo microscopico).








Ricordo, per conoscenza e chiarezza, che quando si va nel microscopico, abbiamo le unità di misura:
micrometro (µm) è la millesima parte del millimetro quindi la milionesima del metro
1 mm = 1.000 µm
1 µm = 0,001 mm = 0,000001 m

nanometro (nm) è la millesima parte del micrometro quindi la miliardesima del metro
1 µm = 1.000 nm = 0,001 mm
1 nm = 0,001 µm = 0,000000001 m


All'interno di questo ampio spettro, la luce visibile, cioé la parte di radiazione EM che il nostro occhio riesce a percepire, occupa sempre uno spazio ridottissimo (750 - 400 nm).










- La luce visibile è ancora nella fascia delle 
onde NON ionizzanti 
(quindi non pericolose per la salute)


























- La luce visibile arriva fino alla superficie terrestre e non viene quindi filtrata dagli strati atmosferici 
(come avviene invece per i raggi cosmici primari, i raggi gamma, i raggi x, parte dei raggi UV e parte dei raggi IR). Tuttavia la luce visibile, così come gli IR, non penetra nubi e foschia (in base alla densità delle nubi poi si ha maggiore o minore effetto filtro).






















E' bene sottolineare, quindi, che tutte le frequenze al di fuori del visibile non sono rivelate all’occhio umano, dunque sono invisibili (area nera della tabella).


Per poter accedere anche a quelle fasce di frequenze, servono strumenti sensibili alle onde Radio, Microonde, InfraRosso (IR), UltraVioletto (UV), raggi X e Gamma. Se per la luce visibile, le onde Radio-Microonde e parte degli IR e degli UV basta restare sulla superficie terrestre, per poter invece studiare i restanti IR ed UV, i raggi X e Gamma servono satelliti e telescopi in orbita appositamente predisposti.



- Cosa vuol dire "vedere" un oggetto?
I raggi di luce colpiscono gli oggetti, vengono da questi diffusi in tutte le direzioni, ed entrano nei nostri occhi. 
"Vedere un oggetto significa quindi essere colpiti dalla luce che l'oggetto ha ricevuto e riflesso in direzione del nostro occhio."







Per concludere 3 aspetti interessanti collegati alla vista:


1) Scrutare il Cielo è 
"Guardare nel Passato" e "Viaggiare nel Tempo"
Questo aspetto evidenzia il tempo che ci mette la luce (di una stella, ma anche del Sole o della stessa Luna) ad arrivare a noi. La luce che stiamo guardando non è partita nel momento in cui stiamo guardando (visita il post sui "Tranelli Astronomici" della serie "Forse non sapevi che..."), bensì: 


  • secondi, 
  • minuti, 
  • ore e via dicendo fino a 
  • secoli, 
  • millenni, 
  • milioni o miliardi di anni prima. 


Non è proprio un ragionamento così scontato. 
Quando mi capita di rifletterci su bene, lo trovo sempre fantastico, affascinante, emozionante e trovo che aiuti ad espandere le nostre coscienze. 




Ecco qui un esempio di come, ad un osservazione diretta ad occhio nudo, non possiamo renderci conto di quanta profondità ci sia là fuori.

La foto è conosciuta come XDF che sta per Hubble eXtreme Deep Field (campo estremamente profondo del telescopio Hubble)

In quel minuscolo quadratino rosso a fianco della Luna, ingrandito, una visione di campo profondo dell'Universo dove sono visibili decine di galassie...







Più si guarda in profondità e più il tempo arretra, perché gli oggetti lontani migliaia, milioni e miliardi di anni luce (billion years) hanno impiegato appunto migliaia, milioni e miliardi di anni per far arrivare la loro luce fino a noi...





Badate bene che quando scrivo "più si guarda in profondità e più il tempo arretra...", dovete cercare di capire che ciò è dovuto al fatto che là fuori gli spazi sono talmente immensi e sconfinati che l'idea stessa di Spazio e Tempo acquista tutto un altro senso. Tutto è così LONTANO che non riusciremmo mai, neppure con la fantasia più potente e brillante, a comprendere e raggiungerne i presunti limiti.



Spingendosi fino all'origine di tutto, il Big Bang, 13,7 miliardi di anni fa. La Radiazione Cosmica di Fondo, sempre presente in tutto l'Universo, è testimonianza di quell'epoca.












2) Nulla di ciò che vediamo in cielo - Sole, Luna, pianeti, stelle - è lì dove sembra.

(Estratto di un articolo del giornalista scientifico Piero Bianucci su "Laboratorio Tuttoscienze")
"La posizione di un corpo celeste (sia esso Stella, Sole o la stessa Luna) non è lì dove sembra essere ai nostri occhi, bensì è spostato a causa di alcuni fattori".  

Vediamo le variabili in gioco:

>>> gli oggetti celesti sono tanto lontani che la luce, pur viaggiando alla spaventosa velocità di 300.000 km/secondo, per arrivare fin da noi sulla Terra impiega 
-- 1,3 secondi partendo dalla Luna, 
-- lunghissimi incredibili 8 minuti dal Sole, 
-- ben 4 anni da Proxima Centauri, la stella più vicina, 
-- e qualcosa di assolutamente incomprensibile come 2,3 milioni di anni dalla galassia di Andromeda.

Secondi, minuti, anni di cui bisogna tener conto quando si osserva. Queste tempistiche infatti "spostano" gli oggetti rispetto a noi che guardiamo, e nel caso di oggetti "vicini" è tanto più evidente.


Per avere una chiara ed emozionante idea, pubblico qui questo video della 
Association Astro Photo Météo 53, in cui è ripresa la Luna con un telescopio amatoriale e si nota benissimo la notevole velocità con cui scorre via lungo lo schermo, tanto che è necessario correggere costantemente la direzione di puntamento se si vuole mantenerla nell'obiettivo. Chi ha avuto esperienza di questo tipo di osservazione sa quanto sia affascinante ed emozionante, perché sembra di poterla toccare, tanto viene avvinata dal telescopio. Io stesso ho avuto un fratello che mi ha fatto provare l'esperienza quando ero adolescente e non l'ho mai scordata.

Ricordatevi, guardando questo breve bellissimo video, che la luna illuminata che state guardando è la Luna di 1,3 secondi fa quindi non è veramente in diretta



Perché l'illusione che si ha sempre in questi casi è quella di essere convinti che sia davvero "vicina", ma così non è! 
Ripropongo, come altre volte ho fatto, il confronto che rende bene l'idea, per rammentare la reale distanza che ci separa da lei.




Noi siamo davvero portati a credere, guardando il video, che sia così.....










E INVECE, PAZZESCO, 
E' COSI' !!!!!!!!!!










>>> c'è il fenomeno della "aberrazione" della luce, detto anche "aberrazione astronomica" o "aberrazione stellare", legato al fatto che tutto l'universo, compreso il nostro sistema solare, è in costante ed incredibile movimento: in pratica "non solo tutti gli oggetti celesti sono in movimento, ma noi raccogliamo la loro luce osservando da un pianeta a sua volta in movimento". 





Quando ci muoviamo la pioggia sembra provenire da una zona di cielo davanti a noi, mentre in effetti proviene dalla nostra perpendicolare. 
Lo stesso effetto si verifica per la luce, che cade a perpendicolo sulla terra, ma essendo la Terra in movimento intorno al Sole, sembra che venga da una zona di cielo leggermente diversa, in avanti rispetto all'osservatore.
Così le stelle appaiono sempre proiettate in avanti (nel verso del moto della Terra) rispetto alla loro posizione reale.



Credit Roberto Zanasi

Il movimento distorce quindi la reale posizione degli oggetti osservati.


>>> poi c'è la "rifrazione" atmosferica: la luce degli oggetti celesti, che sia da loro prodotta (Sole e stelle) oppure riflessa (Luna), attraversa l'atmosfera e viene da questa deviata. 
L'entità della rifrazione dipende da

* l'altezza dell'oggetto sull'orizzonte
* la densità e temperatura dell'aria 
* il colore della luce




"Noi non ce ne rendiamo conto ma talvolta, in condizioni particolari, la rifrazione ci fa letteralmente vedere qualcosa che non c'è, almeno non lì dove lo stiamo guardando." Illusione chiamata Fata Morgana.







"In sintesi, la luce stellare viene deviata passando dal vuoto dello spazio all'atmosfera... (nell'immagine il raggio viene deviato tanto da far credere a chi osserva, che sia partito da S', mentre la reale posizione è S)  



...e poi ancora viene deviata nell'attraversamento dell'atmosfera mano a mano che incontra strati più spessi e più densi."



"Quindi la rifrazione non avviene solo nel passaggio tra vuoto e aria, bensì anche dentro ad uno stesso mezzo la cui densità varia in modo uniforme."




La rifrazione atmosferica è una deviazione curvilinea, una serie cioè infinita di brevi segmenti retti tangenti alla linea curva tale da sovrapporsi quasi esattamente ad essa."

In conclusione, la rifrazione atmosferica è talmente importante che, pensate, 
"in Italia in condizioni normali, a livello del mare e con temperatura di 0 °C, all'alba e al tramonto vediamo il Sole per intero benché esso si trovi completamente SOTTO l'orizzonte" L'illusione è chiamata Fata Morgana. 













I raggi del Sole, entrando nell'atmosfera terrestre, devìano, dandoci l'illusione di vedere ancora il Sole, mentre esso è già tramontato. La linea rossa è la linea reale, mentre quella gialla è la linea illusoria.








"Ai poli invece, dove la notte dura circa 6 mesi, la rifrazione modifica la visibilità del Sole addirittura di 4 giorni, che significa che per 4 GIORNI si è rischiarati da un Sole che non c'è...."




3) "Colore, Visione e Creatività" 

il link ad un contributo di mia moglie sulla visione dei colori, breve e di piacevole lettura, dove si trova anche un link per effettuare un test sulla intelligenza cromatica.
Il Laboratorio di Tirtha: Colore, Visione e Creatività




Spero vi sia piaciuto, arrivederci al prossimo capitolo delle Onde ElettroMagnetiche.



Riassunto catena post:
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 1/7: ma cos'è? 
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 2/7: la LUCE VISIBILE è un'onda EM
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 3/7: RADIO e MICROONDE sono onde EM 
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 4/7: i raggi IR-INFRAROSSI sono onde EM 
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 5/7: i raggi UV-ULTRAVIOLETTI sono onde EM 
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 6/7: i raggi X sono onde EM
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 7/7: i raggi GAMMA sono onde EM 



Link di riferimento e ringraziamenti per la concessione d'uso di parti dei contenuti:

Fisica Generale II, A.M.Rossi, Università di Bologna, lo Spettro Elettromagnetico
Lezione di fisica della luce, del dott. Alessio Filippetti
"Perché vediamo il Sole anche quando non c'è?" di Piero Bianucci
Di Roberto.zanasi - Opera propria, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=23828270
Astro Photo Météo 53




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