Meccanismi di formazione degli arcobaleni a spettro ridotto:
Arcobaleno bianco (fogbow ) e Arcobaleno Rosso
Cloudbow di Alessandra Masi
Fogbow
Gli arcobaleni rappresentano uno dei fenomeni di ottica atmosferica più noti, generati dalla combinazione di rifrazione, riflessione interna e diffrazione della luce solare (o lunare) all'interno di goccioline d'acqua sospese. Tuttavia, la morfologia spettrale dell'iride non è costante: al variare delle dimensioni delle gocce d'acqua e del cammino ottico della luce nell'atmosfera, si verificano variazioni cromatiche sostanziali che conducono alla formazione di strutture peculiari quali il fogbow , il cloudbow e l'arcobaleno rosso.
1. Il Fogbow e il Cloudbow: diffrazione e desaturazione superano la rifreazione
La teoria classica dell'arcobaleno, formulata da René Descartes e perfezionata da Thomas Young e Gustav Mie, individua nell'interazione onda-particella il fattore determinante per la distribuzione della luminosità e dei colori dell'arco.
- Dipendenza dal diametro delle gocce:
Quando la luce incide su gocce di pioggia con diametri elevati, la rifrazione e la dispersione cromatica dominano. Le differenti lunghezze d'onda della luce visibile si separano nettamente secondo la legge di Snell, generando un arco nitido con colori altamente saturi. Al diminuire del diametro delle gocce fino a valori compresi tra, i fenomeni di diffrazione iniziano a prevalere su quelli di rifrazione. - Transizione al Fogbow:
Nelle nebbie o nelle nubi stratiformi, le goccioline d'acqua presentano un diametro tipicamente inferiore a 0,05mm. Con le gocce di questi diametri gli effetti diffrazionali ampieggiano i massimi e i minimi di interferenza delle componenti spettrali. La sovrapposizione angolare delle diverse lunghezze d'onda diviene tale da ricombinare la luce dispersa in uno spettro bianco continuo. - Morfologia ottica:
L'arco primario perde la separazione cromatica classica e appare come una banda biancastra evanescente, delimitata esternamente da una lievissima sfumatura rossastra e internamente da una tenue tonalità azzurrata. L'intensità luminosa globale di un fogbow risulta notevolmente ridotta, equiparabile a quella di un normale arcobaleno secondario. Se il fenomeno si manifesta in banchi di nebbia a terra viene definito fogbow, mentre se osservato dall'alto su uno strato nuvoloso prende il nome di cloudbow.
2. L'Arcobaleno Rosso: Estinzione selettiva per Scattering Rayleigh e Mie
La formazione dell'arcobaleno rosso (o arcobaleno monocromatico) è governata dalle proprietà trasmissive dell'atmosfera terrestre quando il Sole (o la Luna) si trova a ridosso della linea dell'orizzonte (alba o tramonto).
- Allungamento del cammino ottico:
Con un basso angolo di elevazione solare, i raggi luminosi devono attraversare uno spessore atmosferico (massa d'aria) notevolmente superiore rispetto alle ore centrali della giornata. Durante questo lungo percorso negli strati inferiori della troposfera, la luce interagisce con molecole gassose, aerosol e particolato in sospensione. - Scattering:
- Scattering di Rayleigh: La diffusione molecolare è inversamente proporzionale alla quarta potenza della lunghezza d'onda. Di conseguenza, la radiazione a breve lunghezza d'onda (violetto, blu e verde) viene diffusamente dispersa fuori dalla traiettoria diretta verso le gocce di pioggia.
- Scattering di Mie: Gli aerosol troposferici accentuano l'estinzione delle componenti spettrali ad alta frequenza.
- Risultato cromatico:
La radiazione incidente che raggiunge le gocce di pioggia è ormai priva delle componenti blu-verdi ed è composta quasi esclusivamente dalle lunghezze d'onda più lunghe dello spettro visibile (giallo, arancione e, prevalentemente, rosso). Quando questa luce residua subisce la normale rifrazione e riflessione interna alla goccia, l'arco risultante appare completamente privo delle fasce cromatiche fredde, stagliandosi nel cielo con una netta e intensa colorazione monocromatica rossa o porpora.
Arcobaleno rosso di Katiusha Pederneschi
Foto di Stefano Tocchio
Bibliografia
- Robert Greenler, Rainbows, Halos, and Glories: ottica degli arcobaleni e dei fenomeni correlati.
- Atmospheric Optics: approfondimenti su fogbow e arcobaleni rossi.
