scattering di Rayleigh
scattering di Rayleigh
Processo di diffusione di un fascio parallelo (onda piana) di radiazione elettromagnetica da parte di particelle sospese in un mezzo trasparente, che abbiano dimensioni molto più piccole della lunghezza d’onda λ della radiazione incidente. Il processo fu studiato per la prima volta dal fisico britannico John W. Strutt, terzo Barone di Rayleigh, premio Nobel per la fisica nel 1904, al fine di studiare le interazioni della radiazione solare con le molecole d’aria. Lo scattering di Rayleigh ha luogo quando la luce attraversa un mezzo trasparente gassoso, liquido o solido, contenente delle particelle che costituiscono delle disomogeneità dielettriche di dimensioni molto piccole rispetto a λ. La teoria di Rayleigh assume che: (a) le particelle e il mezzo non siano conduttori e non contengano cariche elettriche libere; (b) le costanti dielettriche delle particelle e del mezzo differiscano tra loro di molto poco; (c) ogni particella diffonda la radiazione incidente indipendentemente dalle altre. Se una siffatta particella sferica è raggiunta da un’onda elettromagnetica che varia periodicamente, essa diviene sede di un dipolo elettrico indotto e genera un campo secondario di radiazione diffusa, la cui intensità è proporzionale all’incirca all’inverso della potenza quarta della lunghezza d’onda e all’inverso del quadrato della distanza tra diffusore e punto di osservazione; l’intensità è funzione dell’indice di rifrazione n ed è data da due componenti, la prima delle quali ha vettori elettrici perpendicolari al piano di osservazione e d’intensità costante in tutte le direzioni di diffusione, e la seconda ha vettori paralleli al piano di osservazione e d’intensità che varia in funzione dall’angolo di scattering θ, secondo la funzione 1+cos2θ. In tal modo, i massimi d’intensità si trovano nelle due direzioni in avanti e all’indietro. Si valuta che circa il 25% della radiazione solare incidente si trasformi in radiazione diffusa a causa dello scattering di Rayleigh e che i due terzi della radiazione diffusa raggiungano in media la superficie terrestre. In un’atmosfera serena, priva di nubi, lo scattering di Rayleigh è la causa principale del colore azzurro del cielo. Essendo l’intensità di questo processo proporzionale a λ−4,08, la componente violetta della luce solare (λ≈400 nm) è soggetta alla diffusione più intensa e la componente rossa (λ≈700 nm) a quella più debole (ca. 9,4 volte più bassa di quella della luce violetta) tra le varie componenti cromatiche visibili all’occhio umano. Poiché la sensibilità dell’occhio è maggiore nel blu che nel violetto, la radiazione solare diffusa in arrivo al suolo appare all’osservatore più intensa nel blu (λ≈480÷500 nm), quando egli guarda le zone di cielo abbastanza lontane dal Sole. A causa dello scattering di Rayleigh, oggetti atmosferici come le nubi o le montagne innevate all’orizzonte sono viste di colore rosso all’alba o al tramonto, in quanto la maggior parte della radiazione diffusa che proviene all’osservatore da una direzione quasi tangente alla superficie terrestre risulta essere attenuata più fortemente alle lunghezze d’onda minori di quella della luce rossa. Essendo meno attenuata, la componente rossa della luce solare riflessa dalle nubi o dalle montagne raggiunge allora l’occhio umano con un’intensità maggiore, mentre il cielo che sta al di sopra dell’osservatore mantiene il suo colore azzurro in quanto tutta l’atmosfera soprastante diffonde più intensamente la componente blu in direzione dell’osservatore.