Scintillazione: stelle

L’atmosfera ti illude che la stella sia vicina e quel puntino stia pulsando

Se ti intendi poco di astronomia, questo tipo di articolo potrebbe esserti utile: vorrei presentare, in distinti post brevi, 5 tra gli argomenti importanti per lo studio delle stelle, di cui avrai probabilmente sentito parlare:

– luce “propria”, luce riflessa
scintillazione: stelle

scintillazione: pianeti e Luna
luminosità/magnitudine
interdipendenza luminosità/distanza/temperatura/superficie
riconosci l’inganno!
spettro

02/02/2022, Atacama, cielo stellato riflesso sull’acqua, credit Daniele Gasparriingrandisci, enlarge

Parto da un dato intuitivo e semplice:
quando la sera vedi in cielo una stella brillare molto intensamente, essa può essere in effetti molto vicina; così come quando ne vedi un’altra molto molto pallida, può trovarsi molto molto lontana rispetto alla Terra.

Luna, Venere e le Pleiadi (ingrandite) in una sola splendida immagine, credit @s.aspinall dal gruppo facebook Orion Clube de Astronomiaingrandisci, enlarge

Ma spesso la realtà astronomica non è così come appare! Quindi fa attenzione, l’Universo è pieno di inganni, di tranelli, in cui puoi facilmente cadere se non sei preparato! L’apparenza spesso inganna! Serve tanto allenamento, tanto studio, tanta pratica e restare sempre aggiornati per non cascarci come polli.

Per evitare quindi di cadere in questi tranelli, o almeno per ridurre la confusione, ti voglio accompagnare in questo brevissimo viaggio per fissare dei mattoncini importanti.

Scintillazione: stelle

Nel precedente post ti ho parlato della differenza tra la luce “propria”, emessa dalle stelle, e quella riflessa da pianeti, lune, asteroidi, comete. Fino a qui mi sembra tutto chiaro, almeno spero.

ultimi giorni in orbita per poter fotografare la meraviglia che si staglia al di sotto, l’astronauta Nick Hague, la spedizione 60 e il comandante Soyuz Alexey Ovchinin dell’agenzia spaziale russa Roscosmos completano una missione di 203 giorni in orbita nel 2019, credits NASA/Nich Hague ingrandisci, enlarge

Ora invece ti presento un altro argomento che però non è così intuitivo come potrebbe sembrare, la “scintillazione”, di cui ti sarai senz’altro accorto osservando il cielo notturno, chiedendoti a cosa fosse dovuto.

Scintillazione (scintillation o twinkling)
“il tremolìo e la variazione rapida o irregolare dello splendore e del colore della luce emessa dalle stelle”

gif che simula la scintillazione

Personalmente ho sempre trovato incantevole ed ipnotico lo scintillare o brillare delle stelle, l’impressione che mi ha sempre dato è:
di farle sembrare vicine, nonostante l’enorme distanza
di riuscire quasi a “toccarle” dato l’effetto pulsante
due effetti che già da soli mi hanno sempre fatto restare incantato quando guardo il cielo stellato. Ma questa è una visione, per quanto molto romantica, anche molto ingenua e l’ingenuità è dovuta all’ignoranza che avevo in materia.

per sottolineare il fascino della “vicinanza” delle stelle ho scelto questo scatto magnifico: 03/02/2022, presso Punta Prosciutto (LE), cielo praticamente nero in Puglia, non è stato usato alcun tipo di illuminazione. Riflesso nitidissimo su parabrezza e cofano dell’auto, della costellazione di Orione, M42 e la Running Man, oltre al colore di Betelgeuse e Rigel. Credit Fernando De Ronzo (scatto singolo) & Tommaso Massimo Stella (processing photoshop) ingrandisci, enlarge

Responsabile di questo affascinante effetto speciale in questo caso è la nostra amata atmosfera, la stessa che ci consente di respirare e che ci separa da un micidiale nemico, il vuoto.

Nella realtà, visti dallo spazio stelle pianeti e Luna brillano costantemente, cioè hanno luce stabile senza disturbi: quella delle stelle è propria, quella di pianeti, lune, asteroidi, comete è riflessa.

uno spettacolare Sole fotografato direttamente dalla ISS da 400 km di altitudine, credit NASAingrandisci, enlarge

Nella realtà, quando guardi il cielo notturno, tutti i corpi celesti che vedi, stelle ma anche pianeti e Luna compresa, scintillano!

La fonte più luminosa è la Luna, poi appena sotto a destra Venere e si riconosce più a destra ancora la costellazione di Orione – credit Elian Perez Bustamante, 22_07_2020 – ingrandisci, enlarge

Ma come, anche pianeti e Luna scintillano??
Cos’è questa storia?!
Ti sembrerà assurdo, ma ti spiego in questo post
e nel prossimo come mai è possibile.

Cosa fa scintillare la luce di una stella?

Una stella, minuscolo puntino nella volta celeste, vista dalla Terra ha la luce che tremola come se fosse viva (fenomeno detto “scintillazione”), ma questo succede perché la sua luce, prima di raggiungere il tuo occhio, incontra la turbolenza degli strati atmosferici, dovuta a:

  • diverse temperature dell’aria
  • diverse densità (rarefazione dei gas) nei vari strati dell’atmosfera terrestre
  • loro agitazione e rimescolamento
un vero e proprio “oceano” a strati, dove il movimento di grandi masse di aria provoca turbolenza, anche senza formazioni nuvolose

Le masse d’aria che ci sovrastano, anche ad alta quota, non stanno ferme, sono costantemente in movimento e l’aria calda sale mentre la fredda scende.

L’aria rifrange la luce in modo diverso, a seconda della temperatura. Quando la luce passa da uno strato di aria a densità inferiore a uno strato di densità maggiore (come succede penetrando sempre più nell’atmosfera), inizia lo sfarfallìo della luce.

infografica dove sono visibili le differenze in temperatura e in densità (rarefazione) di Stratosfera e Troposfera, i 2 strati più vicini alla superficie.

Quindi che succede per noi abitanti della superficie terrestre che ammiriamo il cielo notturno?

Le stelle brillano o scintillano perché la loro luce, prima di arrivare ai tuoi occhi, deve passare attraverso 5 strati dell’atmosfera terrestre, li ricordi?
Esosfera (500 – 2.000 km)
Termosfera (80 – 500 km)
Mesosfera (50 – 80 km)
Stratosfera (20 – 50 km)
Troposfera
(0 – 20 km)
per un totale approssimativo di più di 1.000 km!

Tuttavia è senza dubbio negli ultimi 15-20 km, quelli corrispondenti alla Troposfera, lo strato in cui viviamo immersi e che è il più denso di tutti, che c’è il maggior rimescolamento.

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Caratteristiche strati

Ciò che caratterizza questi strati sono differenze in 4 aspetti:

  • densità (rarefazione)
  • temperatura
  • pressione
  • umidità

Densità, pressione e umidità (quest’ultima a partire dall’alta troposfera) diminuiscono con l’altitudine, mentre la temperatura ha un andamento differenziale collegato a rarefazione e strato dell’ozono.

Come avviene quindi la dinamica della scintillazione?

A causa di tali differenze, la luce delle stelle, nell’attraversare questi strati viene rifratta continuamente, e queste differenze in ciascuno strato portano ad un indice di rifrazione diverso; inoltre, trattandosi di “strati in movimento” (immàginali come grandi masse d’aria in movimento, a tutti gli effetti venti), i raggi di luce prendono di conseguenza percorsi leggermente diversi attraverso l’atmosfera.
Rifrazione” in pratica significa che il percorso della luce è “piegato“, ma la luce non è un oggetto, è un flusso di fotoni, quindi alcuni fotoni verranno deviati e altri no, poiché la turbolenza cambia.

Cos’è ciò che percepisci come lo “scintillare”?

Le stelle sono sorgenti puntiformi poiché immensamente lontane, e, ti assicuro, tu davvero non hai idea di quanto lo siano!

credit Alice Scobie di Siena, 14_07_2020 – ingrandisci, enlarge

Quando guardi una sorgente puntiforme non ti rendi neanche conto che il tuo sguardo attraversa istantaneamente quell’oceano di aria chiamato atmosfera, quei 1,000 km…

comodissima infografica per riconoscere a vista Troposfera e Stratosfera rispetto agli strati più alti, credit NASA

…tuttavia ciò che succede è che in quei 1.000 km (e soprattutto nelle ultime decine in particolare) i diversi percorsi presi dalla luce di quella sorgente da punto a punto e da un istante all’altro la fanno “saltare intorno” al punto centrale: questo è lo “scintillare”.

effetti della turbolenza atmosferica, in evidente aumento andando verso destra (da V a I), credit INAF-Brera “I pianeti extrasolari“, Mario Carpino Osservatorio Astronomico di Brera, lezione a slide

Conta anche la quantità di atmosfera attraversata!

Esatto, la quantità, perché essendo la Terra una sfera (anche se non perfetta), si verificano situazioni diverse a seconda di quale parte del cielo stai guardando:

  • per una stella ALTA sopra la tua testa, la luce compie un percorso molto più diretto, taglia gli strati in senso perpendicolare e quindi soffre meno della turbolenza
credit Bob King / AstroBob
  • per una stella BASSA verso l’orizzonte, la luce deve attraversare una quantità di atmosfera molto maggiore e quindi incontra molta più turbolenza
Quora

È facile per l’atmosfera terrestre disturbare la luce puntiforme di una stella grazie alla turbolenza degli strati! Mentre nel vuoto, in assenza di ostacoli, la luce corre costante su un percorso rettilineo…

quando attraversa l’atmosfera il percorso verso i tuoi occhi (e gli occhi di altre migliaia di persone in contemporanea) diventa a zigzag!

Non dimenticare la grande illusione della “rifrazione” atmosferica

Ah, per finire ricordati che la rifrazione atmosferica ti fa vedere gli oggetti in posizioni diverse da dove realmente sono, è un bel guaio: tu sei convinto di vedere la stella lì (S’), mentre invece è spostata più in là (S)…

Sono gli strati atmosferici a provocare questo spostamento…

strati e strati di densità diversa

Lo stesso fenomeno per cui sei convinto di vedere ancora il Sole quando invece è già tramontato dietro la montagna, ma tu non te ne accorgi e anzi giuri che è lì davanti ai tuoi occhi…

la linea rossa indica il grado di rifrazione dei raggi solari: la posizione apparente risulta più in alto di quella effettiva dell’astro

In definitiva, come molto efficacemente e spiritosamente ha dimostrato questo fisico! L’atmosfera si comporta a tutti gli effetti come un fluido!

credit mthphysics.weebly.com

Aspetta, non è finita qui, nel prossimo post completo il quadro con la Luna e i pianeti, per dissolvere qualsiasi altro tuo dubbio, e avrai pure un pratico video in inglese che spiega in modo semplice il tutto.

Credits e contributi di astrofotografi:

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