L’arcobaleno è un fenomeno ottico atmosferico che si verifica quando la luce solare interagisce con microscopiche gocce d’acqua sospese nell’atmosfera. Il meccanismo coinvolge tre processi fisici:
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Rifrazione, all’ingresso nella goccia;
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Riflessione interna, sulla superficie posteriore della goccia;
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Dispersione, con separazione delle lunghezze d’onda visibili in uscita.
La luce bianca solare si scompone nei suoi componenti spettrali: il rosso emerge a un angolo di circa 42,0°, mentre il violetto a circa 40,0° rispetto alla linea antisolare (che passa per l’occhio dell’osservatore e il punto esattamente opposto al Sole). L’arco che percepiamo non è un oggetto reale nel cielo, bensì un’immagine virtuale generata dalla rifrazione (selettiva) di milioni di gocce che riflettono luce in direzioni specifiche. Per questo motivo, l’arcobaleno è unico per ciascun osservatore: anche due persone vicine vedono archi leggermente diversi, prodotti da differenti insiemi di gocce.
Il doppio arcobaleno: una seconda riflessione
In condizioni particolari, la luce può subire due riflessioni interne prima di uscire dalla goccia. In tal caso si genera un doppio arcobaleno, più ampio e meno luminoso il primo , con angoli di deviazione centrati attorno a 51,0° per il rosso e 53,0° per il violetto. Il secondo arco a causa della doppia riflessione, avrà l’ordine dei colori invertito rispetto all’arcobaleno primario. Tra i due archi si osserva spesso una fascia più scura, nota come banda di Alessandro, dal filosofo greco Alessandro di Afrodisia (III sec. d.C.), che per primo la descrisse.
Il moonbow: arcobaleno notturno
Un’ulteriore manifestazione del fenomeno ottico dell’arcobaleno si verifica di notte, ed è nota come moonbow (o arcobaleno lunare). Si forma quando la luce riflessa dalla Luna piena attraversa gocce di pioggia o umidità in modo analogo alla luce solare. Poiché l’intensità della luce lunare è circa 500.000 volte inferiore a quella del Sole, il moonbow è spesso invisibile a colori dall’occhio umano, che in condizioni di bassa illuminazione usa principalmente i bastoncelli retinici, che sono cellule fotorecettori non sensibili al colore. Per questo motivo il moonbow appare bianco o grigio, e solo tramite lunghe esposizioni fotografiche si riescono ad evidenziare i colori. Il moonbow richiede condizioni astronomiche e atmosferiche molto specifiche: Luna vicina alla fase piena, cielo notturno sereno e pioggia localizzata di fronte alla Luna, con un angolo di osservazione simile a quello dell’arcobaleno solare.
Un’eredità scientifica luminosa
La comprensione moderna del fenomeno ottico dell’arcobaleno risale a René Descartes (1637), che per primo ne spiegò l’origine geometrica, e fu approfondita da Isaac Newton (1672), che dimostrò la scomposizione della luce bianca usando il celebre prisma di vetro. Il colore, l’ampiezza angolare e la brillantezza dell’arco dipendono da parametri fisici precisi: lunghezza d’onda della luce, indice di rifrazione dell’acqua (circa 1,333), dimensione delle gocce e geometria dell’osservazione. Arcobaleno, doppio arcobaleno e moonbow sono quindi non solo spettacoli naturali, ma anche strumenti didattici della fisica della luce.
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