Oggi siete raggianti, anche se come me siete di umore cupo perché anche stavolta le nevicate al Sud sono state deludenti. Siete raggianti perché siete fatti di atomi che vibrano ed emettono energia. In questo articolo ci addentriamo nel cuore della materia per cercare di capire il concetto di radiazione.
Qualsiasi corpo con una temperatura superiore a -270°C emette radiazioni e perde di conseguenza una certa quantità di energia; se non riceve radiazioni in cambio, un corpo si raffredda in modo costante e progressivo. La sua temperatura in ogni momento è quindi determinata dal cosiddetto "bilancio radiativo", cioè dalla differenza tra l'energia che emette e quella che riceve. In questo modo, la vita sulla Terra è possibile solo perché il Sole - anche se si trova a 150 milioni di chilometri di distanza dal nostro pianeta - gli fornisce continuamente energia sotto forma di radiazioni, compensando così l'energia persa per irraggiamento.
Per spiegare tutto questo in modo semplice, immaginiamo di passeggiare nel nostro giardino e di imbatterci in un tubo da irrigazione che giace a terra. Per gioco, afferrate l'estremità del tubo e lo scuotete su e giù. Se tutto va bene, dovreste vedere una sorta di onda trasportata dal tubo: si tratta di un'onda che trasmette l'energia fornita dalla vostra mano lungo il tubo. Se ripetete il movimento più volte, vedrete non una sola onda, ma un treno di onde che si allontanano, anche se né il tubo né le sue parti si sono mosse nella stessa direzione.
La particolarità di un'onda è quindi quella di muoversi attraverso un mezzo che a sua volta rimane fermo. Molti tipi di onde si propagano in mezzi diversi. È il caso, ad esempio, delle onde oceaniche che, quando vi colpiscono, vi sollevano e vi fanno scendere di nuovo, ma senza farvi muovere (a meno che non veniate catturati dal rullo che si schianta sulla spiaggia). Lo stesso vale per le onde sonore, che hanno bisogno di aria, acqua o un altro mezzo per muoversi; così, quando qualcuno vi parla, anche se ad alta voce e molto vicino, potete sentirlo senza avere il vento nelle orecchie (a meno che il vostro interlocutore sia molto, molto arrabbiato!).
Infine, alcune onde non hanno bisogno di alcun supporto per propagarsi: si muovono nel vuoto... La radiazione solare è di questo tipo!
L'origine di un'onda è sempre il movimento - e quindi l'energia - che si tratti di atomi, delle vostre corde vocali o del vento sul mare. È questa energia che viene trasmessa dall'onda attraverso un mezzo (o il vuoto).
Un'onda sinusoidale, come quelle inviate dal Sole (schematizzate sopra), può essere definita da diverse variabili:
La quantità di energia trasportata da un'onda dipende essenzialmente dalla sua frequenza, e quindi dalla sua lunghezza d'onda. Più alta è la frequenza (o più corta è la lunghezza d'onda), maggiore è l'energia trasportata. Dipende anche, in misura minore, dall'ampiezza.
I parametri sopra elencati definiscono il modo in cui un'onda si manifesta concretamente a noi.
Prendiamo l'esempio delle onde sonore: una frequenza alta (o una lunghezza d'onda corta) produrrà un suono acuto; una frequenza bassa produrrà un suono grave. Una grande ampiezza produrrà un suono molto forte e una piccola ampiezza un suono debole.
L'esatta natura della radiazione solare è stata oggetto di controversie dal XVII al XIX secolo. In breve, Newton sosteneva che la "luce" fosse costituita da particelle, mentre Huygens sosteneva che fosse costituita da onde. Un esperimento condotto nel 1850 sembrò porre fine al dibattito a favore della teoria ondulatoria della luce, con grande disappunto degli ammiratori di Newton. Quindici anni dopo, nel 1865, lo scienziato James Clerk Maxwell riuscì a dimostrare che la luce era legata all'oscillazione di un campo elettrico e magnetico (intimamente connessi), il che permise di definirla un'onda elettromagnetica. L'ultima parola spetta però ad Albert Einstein nel 1905, quando propone l'idea che l'energia sia trasmessa dalla luce sotto forma di "pacchetti" (chiamati quanti e poi "fotoni") con caratteristiche particellari e ondulatorie (come tutte le particelle elementari, concetto che è alla base della fisica quantistica). In pratica, riuscì a mettere d'accordo tutti e oggi è accettato che la luce sia di natura corpuscolare e ondulatoria.
Il Sole emette onde elettromagnetiche - legate al movimento degli atomi che lo compongono - che si propagano nel vuoto alla straordinaria velocità di circa 300'000 km al secondo, impiegando circa 8 minuti per raggiungere la Terra. Come le onde sonore, le onde elettromagnetiche emesse dal Sole sono caratterizzate dalle variabili sopra elencate (lunghezza d'onda, frequenza, ecc.). Si dà il caso che la gamma delle onde solari sia molto ampia (il cosiddetto "spettro" solare). Quella che chiamiamo "luce" è solo una frazione di questo spettro (detta "visibile"), quella che può essere percepita da quel magnifico strumento che abbiamo: l'occhio! Ma in fondo non c'è differenza tra la luce, le onde del vostro forno a microonde, i raggi X del vostro radiologo o le onde radio della vostra stazione FM preferita: sono tutte della stessa natura e alcuni strumenti, come le telecamere a infrarossi, permettono di vedere quelle che i nostri occhi non possono vedere. Tuttavia, è nello spettro visibile che il sole emette la maggior parte delle radiazioni.
Le onde con frequenze superiori allo spettro visibile sono dannose per la vita sulla Terra, in particolare perché la grande quantità di energia che trasportano può danneggiare il DNA degli esseri viventi. Se la vita è riuscita a svilupparsi sulla Terra, è perché l'atmosfera che ci circonda cattura queste radiazioni ad alta energia (soprattutto attraverso le molecole di ossigeno, azoto e ozono) prima che raggiungano la superficie terrestre.
L'irraggiamento è un argomento molto vasto, troppo vasto per essere trattato in un solo articolo su questo blog. Potremmo tornare di tanto in tanto su alcuni temi correlati, come il bilancio radiativo della Terra, l'albedo o le particolari proprietà radiative della neve. Per informazioni sulle proprietà delle onde nello spettro visibile, consultare l'articolo sui colori pubblicato il 17 giugno 2023.