lunedì 15 luglio 2019

Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 4/7-A: gli IR - INFRAROSSI sono onde EM



Questo post sulla radiazione IR, essendo piuttosto ricco, ho deciso di dividerlo in 2 parti, così da dare più respiro alla lettura.

In questa 1^ parte tratto i seguenti punti:

- riassunto flash onda EM
- la radiazione IR è un'onda EM
- dove si posiziona la radiazione IR nello spettro EM?
- la radiazione IR è ancora nella fascia onde non ionizzanti
- la radiazione IR è selettivamente filtrata in atmosfera
- IR, Salute e vita
- quanto è per noi prezioso L'infrarosso lontano FIR?
- allora, come funziona questa depurazione cellulare?
i raggi IR possono fare danni?

Nella 2^ parte, trovate invece questi altri punti:

- IR, gas serra e bilancio termico del pianeta
- effetto serra e bilancio termico energetico
- vapor acqueo e gas serra orchestrano l'effetto serra
- equilibrio come una macchina sotto il Sole
- gas serra come una coperta termica
- come si comportano i gas serra?
- astronomia IR
- "finestre atmosferiche" per le osservazione
- curiosità telescopi IR
- satelliti e telescopi IR
- applicazioni / dove vengono usati

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In ogni post di questa serie ripropongo il riassunto flash, per vostra comodità, di com'è composta un'onda elettromagnetica EM.
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).


















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


































La frequenza (quante onde) è inversamente proporzionale alla lunghezza d'onda (quanto ravvicinate):
significa che minore è la lunghezza d'onda, maggiore è la frequenza, e viceversa.
Esattamente come una molla:
se la comprimo (< lunghezza d'onda) si schiaccia (> frequenza spire - sotto a destra);
se la distendo (> lunghezza d'onda) si allunga (< frequenza spire - sotto a sinistra).



















L'energia inoltre aumenta con l'aumentare della frequenza, quindi verso i raggi gamma














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- La radiazione infrarossa è un'onda EM

La radiazione ir è una componente della radiazione elettromagnetica EMR, è una radiazione benefica naturale con cui conviviamo con tanto piacere, ma che i nostri occhi non percepiscono: attenzione però, non crediate che venga emessa solo dal nostro amato Sole, sarebbe un errore.

Di certo il nostro astro regala a tutto il globo questa componente per noi preziosissima, ma anche tutti i corpi caldi come il fuoco di un caminetto oppure il motore di una macchina appena parcheggiata emettono radiazione IR.


In realtà attenzione anche al termine "caldo" che può essere ingannevole.

Non dobbiamo intenderlo nel senso in cui comunemente lo intendiamo, perché "caldo" risulta qualsiasi corpo od oggetto in cui gli atomi siano ancora in movimento, seppur minimo.




Così, tutto ciò che supera lo Zero Assoluto ha movimento in sé e consegue che emette radiazione IR, quindi 
tutto ciò che supera i - 273,37°C (- 459,67°F o 0 K). 

Ogni corpo che abbia una temperatura superiore allo zero assoluto (-273°C) emette in continuazione una certa quantità di raggi IR, che dipende dalla sua temperatura cioè dal movimento delle sue particelle.
Quindi maggiore è la temperatura, maggiore la quantità di IR emessi.

Nell'immagine:
0 K = zero assoluto, tutto si ferma
3 K = spazio profondo
100 K = aria liquida

200 K = ghiaccio secco
250 K = ghiaccio
300 K = temperatura ambiente Queste onde EM emesse dal Sole viaggiano alla velocità della luce (contemporaneamente alle altre componenti dello spettro, radio, luce visibile, UV, X, gamma) ed hanno la particolarità di non riscaldare l’aria, bensì le superfici, tanto che vengono anche chiamate 
“radiazione termica” o “radiazione di calore

Il Sole emana quindi il suo calore sotto forma di raggi IR.

Tale energia IR consiste nel cosiddetto "calore radiante", che è una forma di energia invisibile (frequenza) che riscalda oggetti direttamente, senza riscaldare l'aria circostante.



- Dove si posiziona la radiazione infrarossa 
nello spettro EM?






Facciamo chiarezza prima sulle unità di misura sulle quali altrimenti si può fare confusione.

- pm = picometro è 1/mille miliardesimo di metro (10 alla -12)
- nm = nanometro è 1/miliardesimo di metro  (10 alla -9)
- µm = micrometro è più grande del nanometro; 1/milionesimo di metro (10 alla -6)
- mm = millimetro è più grande del micrometro; 1/millesimo di metro (10 alla -3)
- cm = centimetro è più grande del millimetro; 1/centesimo di metro (10 alla -2)
- dm = decimetro è più grande del centimetro; 1/decimo di metro (10 alla -1)
- m = metro è più grande del decimetro (10 alla 0)

                                                                                                                        Per comodità a colpo d'occhio, ecco una stringa di riferimento, che serve per non confondersi.                                                                                                                         
Piccolo --  pm < nm < µm < mm < cm < dm < m  -- Grande                                                                                                                                                     Grande --  m > dm > cm > mm > µm > nm > pm  -- Piccolo                                                                              


quindi:
nm è 1/1.000 del µm
µm è 1.000 nm
mm è 1.000 µm
m è 1.000 mm
















Poiché mi accorgo personalmente che è molto facile fare confusione, propongo ancora qualche tabella per poter fare confronti tra queste unità di misura che vanno dai familiari metro, centimetro millimetro (m, cm, mm) agli incomprensibili eppure così vicini a noi micrometri (µm), nanometri (nm) e picometri (pm). 

Dalla tabella sottostante potete notare anche l'andamento dell'onda EM, a ricordarci che: 
- verso le onde radio > lunghezza e < frequenza (e < l'energia), mentre 
- all'opposto, verso i raggi gamma < lunghezza e > frequenza ( e > l'energia)














In questo caso la tabella è in verticale e ci consente di vedere a colpo l'occhio i limiti e le unità di misura delle varie fasce EMR



















Questa, anche se rovesciata rispetto alla precedente (ma bisogna farci l'abitudine perché si trovano entrambe sul web), vi fa chiaramente vedere anche l'andamento dell'onda EM rispetto alla tabella verticale.

Radio - onda lunga, frequenza brevissima gamma - onda corta, frequenza altissima













Queste tabelle possono anche essere impostate secondo un'unica unità di misura:
metri (m)
























nanometri (nm)














micrometri (µm)



L'importante come detto è distinguerle e, ogni volta che serve, aiutarsi con la tabellina


                                                                                                                        Per comodità a colpo d'occhio, ecco nuovamente la stringa di riferimento, che serve per non confondersi.                                                                                                                       
Piccolo --  pm < nm < µm < mm < cm < dm < m  -- Grande                                                                                                                                                     Grande --  m > dm > cm > mm > µm > nm > pm  -- Piccolo                                                                              



Torniamo ora agli IR: dove si posizionano nello spettro EMR?


"Prima del rosso", i raggi infrarossi.
Il termine “infra-rosso”, cioè "sotto al rosso", indica che la sua frequenza si trova subito sotto quella del colore rosso della luce visibile.
Dal latino "infra" cioè "sotto", nel senso che la lunghezza d'onda è più grande e la frequenza minore.

Tornando a questa immagine che esemplifica bene, vedete chiaramente la piccola sezione della Luce Visibile e l'infrarosso IR che parte dalla zona più rossa; l'onda infatti è più lunga e quindi con frequenza minore spostandosi verso destra, verso le Onde Radio.


















Spostandosi lungo lo spettro EMR, dalle radiazioni radio a quelle gamma, la lunghezza d'onda diminuisce e quindi la frequenza aumenta 
- estensione degli IR

è una fascia molto ampia che va dalla Luce Visibile (780 nm) fino a 1 mm di lunghezza d'onda.
- da 0,7 µm a 350 µm l'IR vero e proprio, ulteriormente suddiviso in 3 (vicino, medio, lungo)
- da 350 µm a 1 mm c'è una regione detta "sub millimetrica", o anche "estrema" o "radiazione a T" (Terahertz) in realtà accorpata all'ultimo dei 3 sottolivelli


Ecco la suddivisione nei 3 sottolivelli: FIR, MIR, NIR













FIR - "Far" InfraRossi, detti anche "lontani", "lunghi", "larghi" e classificati con "C"
accorpati assieme agli "estremi" o "a Terahertz"
lunghezza d'onda 30 - 1.000 µm
>>> "lontani" perché i più distanti dalla luce visibile
Questi sono indicati come benefici per la salute

MIR - "Mid" InfraRossi detti anche "medi" e classificati con "B"
lunghezza d'onda 5 - 30 µm

NIR - "Near" InfraRossi detti anche "vicini", "corti", "lievi" , classificati con "A"
lunghezza d'onda 0,7 - 5 µm
>>> "vicini" perché i più vicini alla luce visibile

Come vedete qui sotto, i NIR vicini sono in giallo, vicini alla luce visibile; i FIR lontani, in arancione














Considerate però che i valori precisi di questi sottolivelli a volte non risultano univoci tra le varie fonti, per una differenziazione in base alle sensibilità dei sensori e all'utilizzo commerciale, ma qui in realtà non è cruciale per noi avere la precisione assoluta, quanto sapere che ci sono e approssimativamente dove.

Come potete notare, nel grafico qui sotto i valori dei 3 sottolivelli sono un po' diversi
- NIR 0,75-1,5µm 
- MIR 1,5-3µm 
"infrarosso riflesso" fino alla lunghezza d'onda di 3 micron, poiché la radiazione è sostanzialmente dovuta alla riflessione della radiazione solare e non contiene quindi informazioni sulle proprietà termiche delle superfici

- FIR 3-15µmcon una fascia evidenziata ottimale per l'uomo da 6 a 10µm
"infrarosso termico" o "infrarosso emesso" da 7 µm a 15 µm circa, poiché deriva dalla emissione delle superfici a causa della loro temperatura assoluta.











Gli intervalli spettrali da 3 a 5 µm e da 8 a 15 µm circa corrispondono, con il visibile, alle "finestre" atmosferiche più comuni
- FIR "estremo" 15 - 1.000 µm





























Anche in questa bella pagina ricca anche di dettagli ed immagini, i valori estremi sono confermati, da 0,7µm a 1.000µm = 1 mm
















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

Anzi, in questo particolare caso non solo non sono pericolose, ma addirittura le onde lontane, i FIR, hanno effetti benefici sul corpo, come si vedrà in una sezione più avanti.

























- La componente ad onde corte della radiazione IR solare arriva fino alla superficie terrestre, mentre quella ad onde lunghe (FIR) viene assorbita, diffusa e riflessa dallo strato di Ozono (insieme alla componente FIR riflessa dalla superficie e dall'atmosfera)


































Chiaramente, gli IR possono essere assorbiti dalle formazioni nuvolose, e l'effetto immediato è la percezione di calo immediato della temperatura sulla pelle.
Tuttavia in certe "finestre atmosferiche", che corrispondono a precise frequenze come vedremo, raggi IR vedono "oltre" le perturbazioni e sono diffusi da foschie, nebbie, fumo, smog, molecole gassose.


A proposito di "percezione del caldo" sulla pelle, un articolo di MedicinaOnline mi ha stimolato ad accennare ad un problema sentito da tanti....


- Con una giornata nuvolosa ci si può scottare anche se non c'è il Sole?
Le nuvole che coprono il Sole spesso ci ingannano: pensiamo che se i raggi solari non filtrano, allora non corriamo rischi. Abbiamo ragione solo in parte: i raggi IR (quelli che danno la sensazione di caldo) effettivamente sono largamente e selettivamente filtrati, ma non sono loro in questo caso il problema. Le piccole particelle di acqua che costituiscono le nuvole hanno pochissima capacità di assorbire le radiazioni UVA-B, che infatti per la maggior parte le attraversano. Le radiazioni UV più nocive, le UVC, sono già filtrate in stratosfera, più in alto, grazie allo strato d'ozono, ma le A e B arrivano fino a noi (quasi tutte le A e molto meno le B). 

Essendo quindi i raggi IR bloccati in gran parte dalle nuvole, abbiamo una minore sensazione di calore sulla pelle e questo ci porta a credere che non stiamo correndo pericoli, ma è una percezione errata: in queste condizioni facilmente si tende ad usare meno protezione solare e gli occhiali da sole, ma così facendo ci esponiamo per troppo tempo ai raggi UV che sono fonte di rischio per la salute. 
I tipici sintomi sono occhi rossi ed ustioni (nel senso di scottature leggere o medie), anche nelle giornate apparentemente nuvolose, specie durante i mesi estivi e nelle ore comprese tra le 11 e le 14.



- Infrarossi, Salute e vita

La vita non sarebbe possibile senza la radiazione IR, che dona il calore alla Terra.
Ogni essere vivente ha bisogno di raggi IR, senza questi non sarebbe possibile sopravvivere.
Per sopravvivere è indispensabile che il nostro corpo assorba tali radiazioni.

Maggiore è la lunghezza d'onda della radiazione IR, minore è la profondità di penetrazione nei tessuti, quindi i FIR penetrano poco in profondità rispetto ai NIR.




















Il Testo in fondo alla foto (per gli amici stranieri che mi seguono) dice:
IRA = onde corte che penetrano fino al tessuto sottocutaneo
IRB = onde medie che penetrano fino al derma
IRC = onde lunghe che penetrano fino all'epidermide

NIR-A
vengono riflessi al 50% ma possono penetrare in profondità (25 mm) e creare danni ad epidermide e tessuti perché non immediatamente percepiti.
E' la radiazione con la profondità di penetrazione più elevata e può colpire la retina e il tessuto adiposo. La sua capacità di penetrazione nella pelle può avere un effetto stimolante, ma la terapia deve essere effettuata sotto controllo medico.

MIR-B
attraversano indisturbati venendo solo in parte riflessi (25%), ma penetrano anch'essi in profondità (13 mm) e creano danni ad epidermide e tessuti perché non immediatamente percepiti.
Questa radiazione non colpisce la retina e penetra solo nei vasi sanguigni sfiorando appena il tessuto adiposo.

FIR-C 
vengono quasi completamente assorbiti dalla pelle ma solo negli strati più superficiali (max 0,5 mm), dove però ci sono le terminazioni nervose e i minuscoli vasi terminali del micro sistema circolatorio.
La radiazione più lunga non oltrepassa lo strato superficiale della pelle e della cornea.




- Quanto è per noi prezioso l'Infrarosso lontano FIR? 

Si può considerarlo come la parte buona della radiazione luminosa del Sole.
Il nostro corpo assorbe e contemporaneamente irradia 
onde nel FIR lontano.


>>>> Curiosità 1: quanta potenza emette il nostro corpo?




Pensate, sembra incredibile, il corpo umano si comporta come se fosse una lampadina da 100 W, ma emette nei FIR, non nel visibile.






Ora, perdonatemi, per comodità (e per non dover tornare troppo indietro nel post) ricordo cosa abbiamo detto circa le frequenze Nir, Mir e Fir:

- NIR 0,75-1,5µm 
- MIR 1,5-3µm 
"infrarosso riflesso" fino alla lunghezza d'onda di 3 micron, poiché la radiazione è sostanzialmente dovuta alla riflessione della radiazione solare e non contiene quindi informazioni sulle proprietà termiche delle superfici
- FIR 3-15µmcon una fascia evidenziata ottimale per l'uomo da 6 a 10µm
"infrarosso termico" o "infrarosso emesso" da 7 micron a 15 micron circa, poiché deriva dalla emissione delle superfici a causa della loro temperatura assoluta.
Gli intervalli spettrali da 3 a 5 micron e da 8 a 15 micron circa corrispondono, con il visibile, alle "finestre" atmosferiche più comuni
- FIR "estremo" 15-1.000µm


Il nostro corpo assorbe con facilità tale radiazione 
tra 4 e 16 µm (FIR), l'IR termico.

Perché succede?


E' molto semplice in realtà. Le molecole d’acqua e le proteine del nostro corpo hanno un’oscillazione pari alla frequenza dell’infrarosso FIR; per questo motivo, considerando che il corpo umano è per la maggiore composto di acqua, è assolutamente facilitata la depurazione cellulare.





















>>>> Curiosità 2: quanti Fir assorbe il nostro corpo? 


Noi assorbiamo circa il 93% dei FIR presenti, e questo è il motivo per cui, per il mantenimento in vita dei bimbi nati prematuri, si usano incubatrici FIR. 



Il corpo umano si comporta come un "Corpo Nero" con tali onde: trattiene le onde ricevute e ne emette di nuove.


Il nostro corpo emette energia FIR attraverso la pelle tra i 3 e i 50 µm, la maggior parte di noi verso i 9 µm
(da qui gli occhiali ad IR per vedere il nemico nel buio, ma che sono in realtà utilizzabili anche di giorno visto che la luce visibile non disturba in alcun modo gli IR).

























Tale lunghezza d’onda ha
caratteristiche proprietà benefiche e terapeutiche sugli organismi viventi.
I FIR lontani sono in grado di riscaldare gli oggetti trasferendo temperatura.
Inoltre sono in grado di penetrare superficialmente negli strati cutanei e sottocutanei interagendo così con le molecole d’acqua ed i composti organici che costituiscono i tessuti viventi.





























Allora, come detto poco fa, le molecole d'acqua del nostro corpo oscillano ad una frequenza simile a quella dell'infrarosso FIR lontano. Le onde FIR emesse dal corpo vanno da 3 a 50 µm, mentre la frequenza di risonanza di una molecola d'acqua è vicina a 9,4 µm.

Questa "affinità" di vibrazione rende possibile un prezioso meccanismo di
attivazione/depurazione cellulare che interviene facilitando l'eliminazione di gas intossicanti come ossido di carbonio o metalli tossici come piombo o mercurio.
Quando questi gas, entrati nel corpo, incontrano grandi molecole d'acqua, rimangono intrappolati al loro interno, accumulandosi e provocando problemi alla circolazione e disturbi vari; il fatto che siano intrappolati rende la loro eliminazione molto più difficile.

Allora, come funziona questa depurazione cellulare?

Gli IR con lunghezza d'onda tra 7 e 14 µm raggiungono queste grandi molecole di acqua che contengono, intrappolati, questi intossicanti.

Le molecole cominciano a vibrare per naturale risonanza e questa vibrazione riduce i legami ionici che mantengono unite le molecole d'acqua; così facendo la vibrazione le disgrega dando luogo a molecole d'acqua più piccole; le sostanze tossiche in questo modo vengono rilasciate ed espulse più facilmente, mentre le molecole d'acqua possono attraversare liberamente la membrana cellulare.








Il FIR lungo è detto anche
"raggio della salute" in quanto particolarmente benefico per gli esseri umani, non a caso è ampiamente utilizzato in campo medico per terapie di riabilitazione.






















Questi raggi infatti sono detti
bio-genici, ossia generatori di vita, raggi di vita (light of life), o
onde fisiologiche, che, penetrando nel nostro sistema vitale, generano un effetto riscaldante


Ne conseguono alcuni importanti effetti positivi sulla salute umana:

- una dilatazione dei vasi capillari 
- un sensibile aumento della circolazione sanguigna grazie al ripristino del flusso sanguigno 
- un’attivazione del metabolismo dei tessuti e delle cellule, aumentando la differenza di potenziale delle membrane cellulari e di quelle mitocondriali. Facilitano gli scambi tra cellula e mondo esterno.
- la stimolazione del sistema immunitario
- la normalizzazione del livello di ossigeno nel sangue
- la riduzione della stanchezza e l'alleviamento dello stress
- il miglioramento del sistema di sudorazione e la prevenzione dello sviluppo batterico






- I raggi IR possono fare danni?

Sì, attenzione!
I raggi IR penetrano nei tessuti organici e possono provocare danni, anche se solo in situazioni particolari.
A parte le ustioni della pelle, meritano un accenno Cristallino e Retina:
- la ripetuta esposizione del cristallino al calore delle radiazioni IR può favorire lo sviluppo della cataratta
- la retina subisce un danno irreversibile se il tessuto, esposto al calore, supera una certa temperatura critica.
I danni termici, quindi, si verificano in seguito all'aumento della temperatura nel tessuto, di conseguenza il pericolo dipende dalla temperatura, ma la soglia è molto alta.

Le radiazioni termiche possono danneggiare gli occhi a partire da una temperatura di 500 °C (932 °F).
In particolare sul posto di lavoro, è fondamentale ed obbligatorio proteggersi dai pericoli delle radiazioni termiche utilizzando appositi schermi e "dispositivi di protezione individuale" adeguati, i cosiddetti DPI.

Ecco tre esempi interessanti che fanno intendere in che tipo di ambienti si possono trovare tali pericoli:
- 500 °C (932 °F - rosso nascente): grill elettrico - pericolo iniziale per la cornea e il cristallino
- 1.500 °C (2732 °F - bianco abbagliante): fusione del ferro - pericolo iniziale per la retina, pericolo per la cornea e il cristallino
- 5.500 °C (9932 °Fbianco neutro): Sole - pericolo per la retina, pericolo per la pelle, il cristallino e la cornea dovuto anche alla formazione di radiazione UV

Da qui si può capire che tipi di lavori sono interessati:
- Fusione di metalli, fonderie 
ferro: 1.450 °C (2642 °F), alluminio: 750 °C (1382 °F)
- Altoforno 
1.600 °C (2912 °F)
- Lavorazione del vetro, attività di vetraio
- Emettitori a infrarossi per incollaggio o asciugatura 
- Fiamma libera
- Stufa elettrica a infrarossi 

Se la radiazione IR viene generata con i diodi luminosi IR o i laser (quindi senza l’uso di una fonte di calore), tale radiazione risulta invisibile. Di conseguenza, anche se sulla pelle non si avverte alcuna sensazione di calore, le radiazioni possono essere pericolose per la vista.
(Fonte testo: Suva)





La NASA, studiando le proprietà dei raggi FIR, ha scoperto che alcuni ossidi minerali sono in grado anch’essi di generare queste radiazioni.



Il naturopata Guglielmo Carbone in un articolo del suo blog fa notare che l'ente spaziale ha di conseguenza deciso di inserire questi ossidi minerali generatori di FIR nelle tute spaziali degli astronauti con l’intento di stimolare la loro funzionalità cardiovascolare, poiché si sa che le possibilità di movimento sono limitate.




Altre curiosità:
- Con un cielo chiaro, la radiazione FIR viaggia tra 7-14 µm 
- La Terra stessa irradia energia a IR, ma che raggiunge un massimo di 10 µm
- Il calore IR emesso dalla Terra è in gran parte lo stesso prototto dal corpo umano


Bene, questa prima parte degli IR è conclusa, la 2^ parte sarà altrettanto interessante. Spero vi stiate divertendo nel frattempo.


Ricordo i punti che trovate nella 2^ parte:

- IR, gas serra e bilancio termico del pianeta
- effetto serra e bilancio termico energetico
- vapor acqueo e gas serra orchestrano l'effetto serra
- equilibrio come una macchina sotto il Sole
- gas serra come una coperta termica
- come si comportano i gas serra?
- astronomia IR
- "finestre atmosferiche" per le osservazione
- curiosità telescopi IR
- satelliti e telescopi IR
- applicazioni / dove vengono usati




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-A: i raggi IR-INFRAROSSI sono onde EM 
Radiazione ElettroMagnetica (EMR) 4/7-B: gli IR - gas serra, bilancio termico e astronomia infrarossa 
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 utili:

Associazione AstronomiAmo, "Universo in Infrarosso"
FIR ditta Raffaello
Sito Ondamatrix
FIR naturopata Guglielmo Carbone
FIR naturopata Sara Villa
FIR in medicina
IR danni ditta SUVA
IR FTV italia
IR riscaldamento
Sito "Amo la Chimica", contributo del chimico Francois
Blog Cambiamenti Climatici Anton Bryan
http://www.sapere.it/enciclopedia/infrar%C3%B3sso.html
Nuvole ed ustioni da sole
I raggi infrarossi, Mppt Solar
MedicinaOnline




lunedì 17 giugno 2019

Temperature estreme, Colori delle stelle e Legge del "Corpo Nero"






























Beh, non è male come titolo, sicuramente un po' avrà stimolato la vostra curiosità.
Stimolato dal bellissimo libro dell'astronomo australiano Gaensler, "Universo da Capogiro", che ho trovato così interessante e scritto bene, in modo comprensibile nonostante i temi complessi, ho deciso di tradurre alcune sue parti, liberamente, in post, certo del fatto che sicuramente desterà l'interesse dei miei visitatori.

Inoltre come tempismo di pubblicazione si inserisce perfettamente in mezzo alla serie sulla Radiazione ElettroMagnetica EMR.

Questo post è dedicato alle "Temperature estreme", il primo dei 10 argomenti trattati da Gaensler.

Qua e là metterò tra virgolette le frasi testuali tratte proprio dalle parole dell'astronomo.

Temperature sulla Terra

"Sulla Terra, il nostro pianeta assolutamente perfetto, c'è la possibilità di sperimentare un intervallo estremamente ampio di temperature di superficie, che va ben oltre quella ridotta fascia di comfort per noi esseri umani".
In quanto a temperature estreme sul nostro pianeta, questi sono i due poli opposti:
+ 57 °C  (134,6 Fahrenheit)  Death Valley in California (registrata nel 1913)
- 89 °C  (-128,2 Fahrenheit) Base Vostok in Antartide (registrata nel 1983)

Sono temperature per noi umani proibitive ed estreme, ma è tuttavia chiaro che se ci spostiamo



- verso il centro della Terra troveremo temperature molto più estreme
(verso il centro,
da 500 °C 
fino a 4.500 °C
cioè da 932 °F fino a 8.132 °F)








- mentre salendo di quota in atmosfera, troveremo i -90 °C = - 130 °F anche in mesosfera

(considerate che in atmosfera, in generale, esiste un gradiente termico per cui a seconda della quota, la temperatura sale e scende in base alla composizione dell'aria nei vari strati, e quando si arriva a centinaia di km l'aria è ormai molto rarefatta e si parla di temperatura "cinetica" che supera i 1.000 °C = 1.832 °F).









Questi esempi però, come forse avrete intuito, non sono assolutamente niente in confronto alle condizioni e temperature e pressioni che si trovano in altre parti dell'Universo, dove si può dire che tutto sia tremendamente fuori scala.


Ciò che definiamo "caldo" e "freddo", da cosa è provocato a livello microscopico?


I 3 stati della materia classici che conosciamo bene (del quarto, il Plasma, parleremo dopo):

Solido - atomi e molecole sono tenuti saldamente insieme in posizione come se fossero dei pezzi di un puzzle tridimensionale incastrati tra loro

Liquido - atomi e molecole sono liberi di muoversi, ma in genere si concentrano in grandi agglomerati

Gassoso - ogni atomo o molecola si comporta in modo indipendente dalle altre particelle, ed è libero di spostarsi in qualsiasi direzione

Questi 3 stati hanno una caratteristica in comune, molto importante, non scontata:

"atomi o molecole si agitano e vibrano 
incessantemente"

Quindi atomi e molecole sia dei gas che dei liquidi, ma anche dei solidi, si agitano e vibrano senza sosta, sempre!

Solidi:
sì, anche nei solidi gli atomi e le molecole continuano a vibrare ed agitarsi!
Rifletteteci, siamo portati a pensare che nei solidi, a livello microscopico (così come per l'oggetto visibile), sia tutto fermo e statico, come noi percepiamo visivamente, ma non è così.
So bene che è strano accettare l'idea.

Chiaro, "ogni particella non può spostarsi di molto dalla posizione assegnata, tuttavia ogni atomo oscilla comunque avanti e indietro"


l'efficace esempio di Gaensler è un puzzle:
le tessere del puzzle non s'incastrano perfettamente poiché ogni pezzo possiede un po' di spazio (tecnicamente potremmo dire in italiano "di gioco"), per muoversi avanti e indietro, e tuttavia resta sempre al suo posto.






Nel caso invece di liquidi o gas, le particelle si muovono caoticamente in direzioni del tutto casuali, "come autoscontri fuori controllo".


"La Temperatura quindi indica, su scala microscopica, 
quanto sono veloci queste oscillazioni e vibrazioni".

Indipendentemente dal fatto che sia solida, liquida o gassosa, una sostanza può potenzialmente trovarsi in situazione di calma e fluidità oppure in vertiginoso crescente movimento.

Detto in breve:
Movimenti lenti = corpo freddo
movimenti veloci = corpo caldo

Di conseguenza, abbiamo 2 risultati a cui i movimenti possono arrivare:



- rallentare fino al punto di fermarsi completamente, quindi c'è un limite inferiore, il cosiddetto "zero assoluto"






- aumentare senza raggiungere mai un limite superiore, la temperatura può crescere senza fine, oltre ogni possibilità di comprensione (questo sì che è sconcertante)










Da qui la domanda affascinante:
quanto può quindi diventare caldo l'Universo?


Consideriamo le stelle, e come riferimento il nostro caro Sole:





















- sono oggetti 
caldissimi e gassosi
(sì, attenzione, incredibile ma NON sono solidi!!)

Questo a lato non è il Sole che vediamo noi, perché questa è la cromosfera che in realtà è invisibile ai nostri occhi, ma con i giusti filtri possiamo osservarlo anche in questa frequenza e capire meglio il fatto che si parla di una sfera di gas ionizzato, di plasma.

Il cosiddetto Plasma, o "quarto stato della materia", ha un comportamento che può essere considerato come quello di un fluido che trasporta elettroni, ioni e impurezze.
Questo perché agli atomi sono stati strappati elettroni causa intense pressioni e temperature.
Quindi ripeto, NON è un corpo solido, bensì è una sfera di GAS.




- non possiedono una superficie vera e propria, essendo delle sfere di gas, senza “confini” solidi












- quella che chiamiamo superficie è in realtà detta "fotosfera" ("sfera di luce"), che è la parte che noi vediamo, luminosissima e che fa svanire alla nostra vista la possibilità di scorgere gli altri due livelli, la cromosfera e la corona (che poi è l'atmosfera del Sole)












- sopra alla fotosfera c'è anche la cromosfera e la corona, ma esse sono praticamente invisibili e trasparenti rispetto alla fortissima luminosità della fotosfera sottostante (solo con filtri speciali e/o grazie alle eclissi di Sole si possono ammirare questi altri strati)











- la fotosfera di una stella ha un colore che dipende dalla sua temperatura:
se è molto calda apparirà bianca, più fredda potrà essere giallo-arancio (è il caso del nostro astro), ancora più fredda sarà rossa








- nel nucleo del Sole la temperatura raggiunge i 15 milioni di gradi, ma risalendo verso la superficie si raffredda e poi si irradia nello spazio (per un fenomeno di ulteriore riscaldamento, poi, dovuto probabilmente a ragioni di magnetismo, la Corona è molto più calda degli strati superficiali del Sole)

- la superficie della stella (fotosfera) è quindi molto più "fredda" dell'interno, con temperature che vanno dai 2.700 K ai 50.000 K, a seconda del tipo di stella




A proposito, alle alte temperature, gradi Celsius (°C) o Kelvin (K) fanno per noi ben poca differenza, ma in astronomia si usano per convenzione i Kelvin, quindi d'ora in poi troverete solo K.



Consideriamo ora proprio la
temperatura superficiale 
perché è con quella che gli astri si mostrano a noi, infatti la temperatura dei nuclei dove ci sono le reazioni nucleari è tutt'altra cosa.

Ripeto un concetto non secondario, già accennato in altro post, e non immediato:
è grazie al fatto che un astro "perde" energia in superficie, parte cioè di quell'energia che viene costantemente ed incessantemente prodotta nel suo nucleo, che noi possiamo vederne la luce visibile. C'è infatti un equilibrio tra la quantità di energia prodotta nel nucleo e la quantità "persa" nello spazio.

L'astro produce energia in modo massiccio nel nucleo, e costantemente una piccola parte di questa energia viene liberata all'esterno dalla superficie, mantenendo l'astro in quello stato di equilibrio che viene chiamato "Sequenza Principale".

Nell'immagine la "Main Sequence" è quella linea in diagonale che sale gradualmente da destra verso sinistra e dove troviamo:

lungo la sequenza in equilibrio
- stelle piccole e fredde a destra in basso
- stelle grandi e calde a sinistra in alto

fuori sequenza, quindi avviate verso la fine
- giganti e supergiganti fredde a destra in alto
- nane bianche caldissime a sinistra in basso, che vanno via via spegnendosi

Il Sole è più o meno a metà del suo ciclo vitale, il suo destino sarà imboccare la prima deviazione a destra per diventare una Gigante Rossa: niente esplosioni spettacolari come le Supernovae, perché il Sole è una stella medio-piccola, ma semplicemente un gonfiarsi sempre più fino a perdere gli strati superficiali, e finire come Nana bianca in una Nebulosa Planetaria
Ci vorranno però ancora 5 miliardi di anni per questa fine, ce n'è di tempo, rilassatevi pure.....





Dalle foto che avrete visto in rete avrete notato che le stelle hanno colori diversi; il Sole emette luce giallognola, ma ci sono anche stelle che emettono luce arancione, rossa, blu e bianca.

* 5.500 K  Sole - luce giallognola

una temperatura certamente alta ma non eccezionale.

Nella bellissima immagine del nostro astro scattata dall'astrofotografo Thierry Legault, potete notare in mezzo e in alto una macchia solare, ma quella piccola silhouette che vedete a sinistra non lo è, bensì è la ISS, Base Spaziale Internazionale, alla quota di 390 km, foto di maggio 2010

Una bella immagine che ci regala Gaensler è quella secondo cui la superficie solare è 5 volte più calda della fiamma di una candela.
Siccome a noi, per capire, servono esempi terreni, direi che questo aiuta a farsi un'idea, visto che credo chiunque di noi ha fatto almeno una volta l'esperienza di spegnere una candela con le dita.







* 3.800 K  Betelgeuse - luce rossa




una stella luminosa nella costellazione di Orione, è molto più fredda del Sole

Credit of the photografer Derrick Lim


















E' qui piuttosto evidente la reale dimensioni delle stelle che appartengono alla costellazione di Orione, rispetto al piccolo Sole















altra comoda comparazione  che aiuta a rendere l'idea di quanto sia grande rispetto al nostro Sole questa Gigante Rossa













* 10.000 K  Sirio - sfumatura azzurrognola




la stella più luminosa del cielo notturno (la "stella del Cane"), il doppio praticamente del Sole












Sirio come apparirebbe se fosse al posto del Sole















Una bella immagine gentilmente concessa da Vito Lecci autore del blog "Sidereus Nuncius".
Troviamo proprio le costellazioni a cui appartengono i due astri appena citati, Betelgeuse (Orione) e Sirio (Cane Maggiore).



















Come si spiegano stelle con colori così diversi?



A questo punto entra in gioco quella strana parte del titolo che è chiamata
"Legge di radiazione del Corpo Nero" 
di Max Planck, che sicuramente avrà attirato la vostra curiosità.


Sappiamo che il Sole non è la stella più calda...
..ce ne sono di più calde...
..di molto più calde...
..e di spaventosamente più calde...












Sappiamo inoltre che "quando un corpo si riscalda, emette luce".
Esempi di Gaensler, per noi comprensibili:
- un attizzatoio sul fuoco irradia luce da arancione sbiadito a rosso
- una lampadina convenzionale a incandescenza emette luce gialla o bianca, portando un filamento di Tungsteno fino ad alcune migliaia di gradi


Cosa ci dice la Legge del Corpo Nero?

Questo qui sotto, intanto, è il classico grafico che si trova parlando di questo argomento; guardandolo così non è che si capisca molto, soprattutto la prima volta, ma seguitemi in questa brevissima introduzione e vedrete che non è poi così incomprensibile.






Detto con le parole di Gaensler, che sa essere molto chiaro:

"praticamente ogni oggetto (sulla Terra o nello Spazio), emette luce, e il colore di questa luce è legato alla temperatura del corpo".


Cos'è un "corpo nero"?
In parole semplici, un corpo nero "ideale", a temperatura ambiente, assorbendo tutta la luce incidente senza rifletterla, apparirebbe perfettamente nero
(immaginate una scatola di metallo completamente chiusa da tutti i lati, in modo che l'interno non riceva luce dall'ambiente esterno; la scatola ha un piccolo foro, e la luce che esce da questo buco sarà quasi identica a quella di un corpo nero ideale, dato che la temperatura dell'aria nella scatola è costante).
La legge di radiazione del Corpo Nero è uno dei campi della fisica che portarono alla fondazione della meravigliosa scienza della Meccanica Quantistica.

Gli spettri delle stelle sono estremamente simili a curve di "radiazione di corpo nero" a diverse temperature, da alcune migliaia a circa 50.000 Kelvin.

Ricordo che uno "spettro" è quella figura luminosa o striscia in cui si susseguono i colori dell'iride, ottenuta raccogliendo su uno schermo bianco la luce emergente da un prisma colpito dal fascio di luce di una sorgente.

Ecco due esempi di spettro (di emissione e di assorbimento del Sodio-Na), tanto per chiarezza.

Le stelle sono simili a corpi neri, e la loro variazione di colore è una diretta conseguenza delle loro temperature superficiali, infatti il colore può essere usato come indicatore della temperatura di superficie, cioè della regione da cui proviene la luce stellare..


Nell'immagine a fianco, per una temperatura di 4.000 K (fredda per una stella) abbiamo il colore rosso, per 5.000 K (calda ma non eccezionale) il giallo e per 6.000 K l'azzurro (comincia ad essere più calda)





Stelle "fredde" (per esempio, di tipo spettrale K e M) emettono la maggior parte della propria energia nelle regioni rossa e infrarossa dello spettro elettromagnetico, e così ci appaiono rosse.








Stelle "calde" (come quelle di tipo spettrale O-B eA) emettono soprattutto a lunghezze d'onda blu e ultraviolette, apparendoci quindi azzurre o bianche.


A proposito, non dimenticate la canzoncina studiata dagli astronomi per ricordare le temperature delle stelle, "Oh be a fine girl...kiss me!" 



Per chi non conosce l'inglese, tradotta in italiano, "Oh, fai la brava ragazza... baciami!", ovviamente le iniziali non funzionano più, ma almeno avete capito il senso.





Tenete anche presente che nella realtà, poi, non è solo questione di colori, ma anche di dimensioni, seguendo la Sequenza Principale, come avevamo visto prima. (Link alla foto originale)











Lungo la Sequenza Principale, stelle molto massicce  e molto molto calde che sono sul lato sinistro in alto, e che hanno vita davvero breve terminando come Supernovae, tendono verso il blu ed ultravioletto. Del loro nucleo, a seconda della massa originaria della stella, resta una stella di neutroni o un Buco Nero.

Giganti e SuperGiganti invece a destra in alto, mantengono basse temperature, pur riscaldandosi fino a perdere gli strati superficiali e trasformandosi in nebulose planetarie. Quel che resta del nucleo, la caldissima Nana Bianca, va via via spegnendosi lentamente.





Ecco come leggere il grafico di cui parlavo.

Nell'immagine qui sotto, come vedete, una simulazione di 3 ipotetiche stelle, dove per stimare la temperatura superficiale possiamo confrontare la temperatura di un corpo nero e la lunghezza d'onda del picco spettrale.
Per tradurre, in pratica, per ognuno dei tre grafici:
- la temperatura è segnata a lato con i K, gradi Kelvin
- il "picco spettrale", cioè l'emissione più intensa di frequenza d'onda (quindi in pratica il colore risultante), è dove la curva in bianco nel grafico ha il suo massimo in verticale, la "vetta" insomma
- la lunghezza d'onda è rappresentata in orizzontale, onde corte a sinistra (verso blu-violetto degli ultravioletti), onde lunghe a destra (verso il rosso degli infrarossi)




















Così si legge quindi l'immagine:
- la colonna arcobaleno al centro di ciascun grafico indica l'intervallo di luce visibile per i nostri occhi (ricordate sempre che siamo in un post intermedio all'interno della serie sulle onde elettromagnetiche): quando aumenta la temperatura passando da 2.500 K a 18.000 K, il picco si sposta dalla zona rossa verso quella blu, in pratica da destra verso sinistra.

I nostri occhi possono percepire solo quella stretta fascia di colori e tutto ciò che si trova oltre quella fascia, sia verso gli infrarossi che verso gli ultravioletti, risulta per noi invisibile.

- aumentando la temperatura di un corpo nero (come la stella, andando da quella più fredda rossa a sinistra a quella più calda blu a destra), il picco dello spettro, cioè la maggiore emissione di frequenza d'onda (quindi la vetta del grafico e in definitiva il colore) si muove verso lunghezze d'onda più corte, quindi verso sinistra (dal rosso verso il blu violetto)























Potete vedere anche qui sotto, la classica curva di radiazione di corpo nero.
Il "picco", cioé l'emissione più intensa di frequenza d'onda (colore) si sposta in base alla temperatura:
più calda è la stella, più la curva di picco si sposta dal rosso degli infrarossi a destra, verso il viola degli ultravioletti a sinistra - arancione, giallo, verde e azzurro blu violetto -.

Non è poi così difficile, ora che abbiamo tutti gli strumenti per interpretare il grafico.
Per carità, se dovessimo poi scendere nel dettaglio tecnico, tutta questa soddisfazione svanirebbe all'istante, ma non è lo scopo di questo mio blog andare a complicarci la vita.























Considerate però che, quando si parla di "oggetti astronomici" non stiamo parlando solo di oggetti riconoscibili come pianetiasteroidi, comete, ma anche di "oggetti" meno intuitivi come nebulose e polveri, all'interno delle quali si espande e muove una ricca quantità di gas.























La polvere stessa, che da lontano può sembrare un corpo unico, in realtà è formata da miliardi di particelle millimetriche e microscopiche che hanno ciascuna una funzione ben precisa.


Riflettete sul fatto, non scontato, che
poiché il minimo movimento delle particelle di un corpo provoca emissioni di radiazione infrarossa, possiamo dire che a partire dallo Zero assoluto, 
qualsiasi oggetto che sia più "caldo" (quindi meno freddo dello zero assoluto) emette raggi infrarossi e quindi luce e di conseguenza un colore legato alla relativa temperatura.

Questo chiarimento serve per ricordarsi che anche dove ci sono temperature polari o glaciali, che non raggiungono però lo zero assoluto, c'è ancora movimento e vibrazioni degli atomi, quindi emissione di radiazione infrarossa. Chiaramente servono strumenti adeguati e regolati su tali frequenze per registrare tale radiazione.




Quando guardiamo i colori delle stelle, possiamo apprezzare le conseguenze di questo effetto. La formula di Planck prevede la temperatura superficiale in base al colore emesso.

















Dicevamo della temperatura superficiale di Sirio:

* 10.000 K  Sirio - sfumatura azzurrognola





















Quando una stella è ancora più calda di Sirio, 
supera cioé i 10.000 K, che succede? 

Quando la temperatura superficiale supera i 10.000 K, abbiamo stelle notevolmente più calde, che sono invisibili o quasi ad occhio nudo.
Il concetto è interessante, perché ha a che fare nuovamente con le frequenze d'onda dello spettro elettromagnetico, e ci riporta quindi proprio alla serie di post collegata a questo; guarda caso per una temperatura di 10.000 K, l'emissione della stella ha un picco sui 400 nm, che è proprio uno dei 2 limiti del nostro campo visivo.
In questo caso, bisogna studiare ciò che accade nelle profondità del nucleo della stella.


I "tizzoni ardenti" dell'Universo, le Nane Bianche, responsabili del fenomeno delle Nebulose Planetarie.


Partiamo dal nostro Sole. Qui lo vediamo confrontato con i pianeti del Sistema Solare, per ricordarci quanto è maestoso.











Qui vediamo invece i pianeti cosiddetti "terrestri", rocciosi (Mercurio, Venere, Terra e Marte; le distanze e le dimensioni non sono in scala).











Come già spiegato in dettaglio in altro post, quando una stella di dimensioni normali, come il nostro Sole, esaurisce il carburante nel nucleo che ha bruciato per miliardi di anni in situazione di equilibrio (Sequenza Principale), gli strati superficiali si gonfiano inglobando una vasta area circostante (se fosse il nostro Sole, arriverebbe a lambire l'orbita di Marte!!!) e si disperdono nello spazio espandendosi lentamente.





Quel che resta al centro è il nucleo, una piccola densa sfera di Elio, Carbonio ed elementi più pesanti, appunto una Nana Bianca.

Una delle stelle più calde dell'Universo: sebbene non bruci più alcun elemento gassoso tramite la fusione nucleare, è ancora estremamente calda, così ardente da illuminare gli strati di gas espulsi e dare il nome al fenomeno delle "Nebulose Planetarie".






Qui sotto abbiamo una comparazione che confronta le dimensioni del Sole, così com'è ora, con la Terra, una Nana Bianca e una stella di Neutroni.










Come potete vedere la Nana Bianca è una stella morente che arriva ad avere dimensioni simili a quelle del nostro pianeta, ma con una temperatura eccezionale.
















Allora, quanto è calda una Nana Bianca appena nata?

Gaensler propone il record nel 2011, NGC 6537 nota come "nebulosa del Ragno Rosso", distante circa 2.000 AL verso la costellazione del Sagittario.




Per decenni la nana bianca responsabile della nebulosa è rimasta sconosciuta e altrettanto la sua temperatura, e questo per 2 motivi:
1- le nane bianche sono oggetti molto molto piccoli, immersi in queste nubi gassose incandescenti e luminose (luminosità e complessità rendono arduo identificare un oggetto lì dentro)
2- meno intuitivo, è proprio l'enorme calore della Nana a renderla praticamente invisibile


La Legge della radiazione di Corpo Nero ci dice infatti che
"quando un oggetto supera quella temperatura, la luce risultante sarà di un colore che supera l'intervallo di sensibilità della nostra vista e dei normali telescopi". 


Gli oggetti quindi molto più caldi di Sirio emettono raggi X o raggi UV.
Ecco qui che ora potete capire perché questo post si piazza in modo perfettamente adeguato all'interno della serie sulla Radiazione ElettroMagnetica EMR, toccando diversi punti dello spettro.

Le Nane Bianche sono quindi nascoste sotto le loro nebulose planetarie e sono così ardenti che non emettono molta luce visibile (quindi un po' si vedono anche coi telescopi, se riesci però ad identificarle in mezzo a tutta quella luminosità e complessità) ma irradiano principalmente nella regione dello spettro dei raggi X ed UV.


* ben 300.000 K !!  Nana bianca Nebulosa Ragno Rosso
l'incredibile temperatura scoperta nel 2005, dopo decenni di ricerche, da Mikako Matsuura e colleghi, utilizzando il telescopio spaziale Hubble, studiando con precisione il colore della stella e calcolandone, tramite Legge di Planck, la temperatura superficiale.


La scelta di quella Nana in particolare è avvenuta anche per un altro motivo, cioé perché rappresenta un ottimo paragone di quale sarà la fine anche del nostro Sole e Sistema Solare tra circa 5 miliardi di anni.
Tranquilli però, come detto stiamo parlando di miliardi di anni, non decine, centinaia e neppure migliaia, quindi in effetti il genere umano potrebbe anche essersi estinto nel frattempo.



Fin qui abbiamo trattato di temperature "superficiali".
Che succede invece nei nuclei delle stelle?


Come si dice, "andiamo per gradi"

5 milioni di K: 
perché si avvii il processo di fusione nucleare nel quale 2 atomi di H si fondono producendo un atomo di Elio, è necessario raggiungere questa temperatura.
E' infatti a questa soglia che gli atomi di Idrogeno si muovono così velocemente da superare la loro forza di repulsione elettromagnetica e si trovano così vicini da potersi fondere insieme (altrimenti le due cariche positive si respingono violentemente se avvicinate l'una all'altra).

A 5 milioni di K "tutti i solidi e i liquidi evaporano e si trasformano in gas, tutte le molecole si separano nei singoli atomi e gli elettroni sono quindi strappati via da questi, lasciando così scoperti i nuclei atomici".



15 milioni di K: 

è la temperatura raggiunta nel nucleo del Sole












50 milioni di K:

è la temperatura che possono raggiungere i nuclei di stelle più massicce del Sole












100 milioni di K:
è la temperatura che raggiungerà il nucleo del Sole verso la fine della "Sequenza Principale", prima di trasformarsi in Nana Bianca, ma come abbiamo visto per la nebulosa del Ragno Rosso, la temperatura può anche essere più alta.

Ricordate però che nel panorama generale, il Sole è tuttavia una stella abbastanza standard.








600 milioni di K:
questa notevole temperatura (ma non abbiamo ancora visto il top...) è raggiunta dai nuclei di stelle ancora più pesanti; queste stelle, molto più grandi del Sole, hanno vita più breve perché bruciano molto più in fretta l'enorme quantità di materiale che producono









3 miliardi di K:
sì, avete letto bene, siamo arrivati ai
"miliardi" di gradi,
qualcosa per noi assolutamente non immaginabile (non che prima riuscissimo ad immaginarci i milioni di gradi, per carità...); stelle ancora più massicce, con massa 8-10 volte superiori a quella del Sole, raggiungono questa temperatura finale arrivando alla formazione del Ferro.







Il Ferro...






...è l'elemento più stabile dell'Universo e impedisce ulteriori processi di fusione.








5 miliardi di K:
è la sconvolgente temperatura raggiunta quando il nucleo di Ferro (il cerchio nero, ovviamente assolutamente non in scala) soccombe sotto la sua stessa gravità

(come una danza in cui il nucleo ha continuato a gonfiarsi e poi contrarsi, dilaniato tra tremende pressioni di fusioni nucleari ed altrettanto drammatici collassi gravitazionali).








Questo succede proprio prima che avvenga la superlativa esplosione della stella in Supernova: "il nucleo collassa in modo disastroso per formare una sfera costituita quasi esclusivamente da neutroni liberi, una sfera del diametro incredibile di soli 25 km" (rispetto ai milioni di km precedenti, figuratevi un po'!!!).








"Gli strati più esterni della stella morente precipitano verso questo nucleo di neutroni (la famosa "stella di neutroni") appena formato e quindi istantaneamente rimbalzano provocando la mostruosa esplosione, che fa a pezzi la parte più esterna della stella e la scaraventa nello spazio ad altissima velocità".


Notare che con aggettivi come "tremendo, drammatico, superlativo, disastroso, mostruoso" si tenta timidamente di dare un'idea più colorata di fenomeni che sfuggono decisamente alla nostra più brillante e creativa immaginazione.



Altro punto importante cui Gaensler accenna, ma che io trovo vada necessariamente evidenziato, riguardo a queste temperature a dir poco veramente strabilianti, è questo:


"i milioni e miliardi di K raggiunti nel centro di una stella, che ci sembrano assurdamente esagerati e fuori luogo, sono tuttavia le condizioni estreme necessarie per produrre la Luce propagata in tutto l'Universo da innumerevoli trilioni di stelle".


Ragionate sul fatto, che non è immediato ma necessita di elaborazione, che
"la radiazione e il calore proveniente dal nostro amato e spaventoso Sole, essenziali per la Vita sulla Terra, hanno origine da temperature estreme ben al di là della nostra comprensione".




Quanto è invece freddo l'Universo?
Dicevamo all'inizio che "i movimenti delle particelle possono rallentare fino al punto di fermarsi completamente, quindi c'è un limite inferiore, il cosiddetto "zero assoluto".


Sappiamo che lo Zero assoluto, lo 0 della scala Kelvin, equivale a
- 273,15 °C  (- 459,67 °F)

Abbiamo inoltre scoperto che la temperatura media attuale dell'Universo corrisponde alla
Radiazione Cosmica di fondo a microonde, detta Radiazione Fossile, presente in qualunque direzione e costante, equivalente a
- 270,42 °C  (- 454,756 °F)

Nell'immagine, gradi Kelvin a sinistra e Celsius a destra.
Ghiaccio secco a - 73 °C  (- 99,4 °F)
Ghiaccio a - 23 °C  (- 9,4 °F)











Esiste nello spazio un luogo ancora più freddo della radiazione cosmica di fondo?

"In teoria se anche esistesse, essendo questo luogo comunque pervaso dalla radiazione fossile, verrebbe riscaldato fino a raggiungere i - 270,42°C."























Tuttavia un luogo conosciuto esiste ed è la "nebulosa Boomerang", altra nebulosa planetaria come tante, ma questa è particolarmente insolita.
La particolarità è data dalla concomitanza di questi fattori:
- un vento siderale estremamente violento, che viaggia ad almeno 600.000 km/ora
- una velocità di espansione rapidissima del materiale attraverso questo vento

Esattamente come accade, esemplifica Gaensler, per la rapida evaporazione ed espansione del gas refrigerante del frigorifero, che tiene bassa la temperatura (o come succede per la pompa della bicicletta che quando gonfi e quindi comprimi il gas, la pompa alla fine è calda), l'improvvisa espansione del gas può provocare un drastico calo della temperatura.

Quindi, nonostante la Nana Bianca che alimenta la nebulosa sia caldissima, quei due fattori provocano e mantengono una temperatura di -272°C, addirittura più fredda della radiazione cosmica di fondo a microonde.





Riassunto in gradi dal Big Bang ad oggi



























Subito dopo il Big Bang, 13,8 miliardi di anni fa:

- appena 10 milionesimi di miliardi di secondo dopo il Big Bang
10 milioni di miliardi di K

- 1 milionesimo di secondo dopo il Big Bang
10.000 miliardi di K

- 1' dopo il Big Bang
10 miliardi di K
(il doppio della temperatura del nucleo di una stella di massa elevata prima di esplodere in Supernova)

- 380.000 anni dopo il Big Bang
2.700 K


"L'Universo si è progressivamente raffreddato, fino a raggiungere la sua attuale condizione termica glaciale". 


- Temperatura media attuale dell'Universo, Radiazione Cosmica di Fondo a Microonde CMB
  - 270,42 °C

- "Cold spot", luogo naturale più freddo dell'Universo conosciuto, Nebulosa Boomerang
  - 272 °C


"In futuro, la temperatura calerà ancora lentamente, avvicinandosi gradualmente (ma senza mai raggiungerla effettivamente), alla più bassa temperatura possibile, lo zero assoluto".


- "Zero assoluto" - la temperatura più bassa che un oggetto possa mai raggiungere
  - 273,15 °C



Curiosità finale:
qualcuno forse avrà notato che non si è parlato di stelle "verdi", eppure rientrando nei colori del nostro arcobaleno visibile, dovrebbero esserci pure quelle.
Come mai non se ne parla?
In poche parole, esistono anche quelle, ma il problema risiede nel nostro sistema di percezione visiva dei colori fondamentali, rosso, verde, blu, in particolare nello spazio.




I recettori specializzati nel ricevimento dei colori sono i "coni", ogni cono vede solo un particolare colore, e i coni del verde sono più sensibili a quelli del blu e del rosso.

Come vedete in figura, ogni cono ha un picco nel colore in cui è specializzato (G = verde, B = blu, R = rosso), però si estende anche negli altri colori fondamentali.

Il cervello mischia i vari contributi e dà luogo a sensazioni diverse a seconda delle percentuali di segnale in arrivo.


Qui sta il punto: per il blu e il rosso, la percentuale di condivisione di altri colori è bassa.
Per il verde invece, la curva di corpo nero è centrata nel verde, ma raccoglie un’importante contributo anche dai due colori adiacenti (il blu e il rosso) e quindi tutti e tre i coni si attivano.
In queste condizioni la sensazione di colore risultante sarà quella del bianco.


Ecco un'immagine riassuntiva finale che propone i tipi di stella in base al colore e alla temperatura, e l'abbondanza relativa nel Cosmo.

E una comoda tabella di alcune stelle




















Spero che questo resoconto vi abbia affascinato come ha affascinato me, e abbia in voi stimolato la curiosità di saperne di più, come è stato per me.




Su ispirazione del testo dell'astronomo australiano Bryan Gaensler, di cui vi suggerisco caldamente la lettura.












Link utili:

Il colore delle stelle - Inaf
Colori e temperatura delle stelle - Jasem Mutlaq
Stelle verdi? Vincenzo Zappalà
Istituto di Fisica del Plasma "Piero Caldirola"
Astrofotografo Thierry Legault
Sirio nel "Cane Maggiore" di Vito Lecci
Photo of the photografer Derrick Lim




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