L'astronomo risponde Osservare il cielo Terra

I colori del crepuscolo

L'astronomo risponde a una domanda sul crepuscolo e sui colori che osserviamo al tramonto del Sole

Come vengono identificate le fasi del crepuscolo? Quali sono? Cambiano secondo le stagioni e secondo la collocazione geografica? Perché cambiano i colori nel cielo nelle fasi del crepuscolo?

Abdel

Il crepuscolo

Il crepuscolo è quella parte della giornata in cui avviene il passaggio graduale dall’oscurità totale della notte alla luce piena del giorno (alla mattina), o dalla luce del giorno alla notte (la sera). Il crepuscolo è suddiviso in tre fasi successive, che sono identificate dalle condizioni di illuminazione in rapporto alle necessità di alcune attività umane. Facendo riferimento al crepuscolo serale, si hanno così in successione:

  1. il crepuscolo civile, che è il periodo appena dopo il tramonto del Sole in cui c’è ancora abbastanza chiaro da poter svolgere le normali attività (ad esempio leggere, o guidare l’automobile) senza dover accendere luci artificiali; ad esso segue
  2. il crepuscolo nautico, durante il quale c’è abbastanza buio da poter vedere le stelle più brillanti, ma si distingue ancora la linea dell’orizzonte. L’aggettivo nautico si riferisce al fatto che in questo periodo gli ufficiali di rotta potevano misurare l’altezza delle stelle sull’orizzonte con il sestante, per determinare le coordinate geografiche della nave. Al crepuscolo nautico segue
  3. il crepuscolo astronomico: la linea dell’orizzonte non si distingue più, e il buio sempre più fitto permette di vedere bene le stelle e iniziare le osservazioni astronomiche. Alla fine del crepuscolo astronomico il buio è totale, e rimarrà tale fino all’alba del giorno successivo.

Naturalmente la mattina, prima del sorgere del Sole, le tre fasi si succedono in ordine inverso.
L’intensità di luce al crepuscolo dipende principalmente dalla posizione del Sole, e più precisamente dalla distanza angolare del Sole sotto l’orizzonte. Perciò, trascurando variazioni locali dovute alla meteorologia (sereno o nuvolo) o alla conformazione orografica (se siamo in fondo a una valle o in cima a una montagna) si assume per semplicità e per convenzione che il passaggio tra le varie fasi del crepuscolo corrisponda a valori prefissati dell’altezza del Sole, e cioè:

  1. il crepuscolo civile si estende dal tramonto all’istante in cui il Sole è a 6 gradi sotto l’orizzonte (cioè ha una distanza zenitale di 96 gradi);
  2. il crepuscolo nautico si estende da quando il Sole è a 6 gradi a quando è a 12 gradi sotto l’orizzonte;
  3. il crepuscolo astronomico, da quando il Sole è a 12 gradi a quando è a 18 gradi sotto l’orizzonte.

Questi valori (6, 12 e 18 gradi) sono stati scelti in modo che, in media, le fasi del crepuscolo così definite corrispondano alle condizioni di illuminazione sopra descritte.
La durata del crepuscolo dipende dal movimento apparente del Sole nel cielo che, come è noto, risulta dalla sovrapposizione di due movimenti distinti: il moto annuale del Sole sulla volta celeste, causato dal moto orbitale della Terra attorno al Sole; e il moto diurno di tutta la volta celeste (Sole compreso), causato dalla rotazione della Terra attorno al proprio asse. Poiché il moto annuale è molto più lento, il sorgere e il tramontare del Sole e la successione dei crepuscoli dipendono solamente dal moto diurno (se si eccettuano le regioni polari, come vedremo), secondo una geometria che varia a seconda della latitudine del luogo di osservazione e della stagione.

All’equatore l’asse di rotazione della volta celeste giace sul piano dell’orizzonte: nel momento in cui sorgono e tramontano, tutti gli astri si muovono ortogonalmente alla linea dell’orizzonte, cioè in senso verticale. Questo vale anche per il Sole, indipendentemente dalla stagione dell’anno: ne risulta che all’equatore il crepuscolo (ciascuna fase del crepuscolo) ha la durata minore possibile. Nella figura in alto, la freccia rossa indica la traiettoria (diurna, apparente) del Sole al tramonto, vista da un osservatore in una località sull’equatore terrestre.
A mano a mano che dall’equatore ci si sposta verso i poli, le traiettorie diurne degli astri formano un angolo sempre più piccolo con l’orizzonte. Ad esempio, al tramonto il Sole non si tuffa a perpendicolo attraverso l’orizzonte, ma secondo una direzione diagonale (vedi figura in basso).

Di conseguenza è necessario un periodo di tempo più lungo perché si raggiungano successivamente le distanze di 6, 12, 18 gradi sotto l’orizzonte: la durata dei crepuscoli è maggiore rispetto all’equatore. La situazione estrema si ha ai poli: in queste due zone della superficie terrestre il punto attorno a cui ruota la volta celeste si trova allo zenit dell’osservatore (esattamente a perpendicolo sulla sua testa) e il moto diurno degli astri avviene orizzontalmente, cioè in direzione parallela all’orizzonte. Nel corso della giornata le stelle hanno sempre la stessa altezza sull’orizzonte e non sorgono né tramontano mai. Il Sole cambia la sua altezza sull’orizzonte solo come conseguenza del suo moto annuale: rimane per sei mesi all’anno sopra l’orizzonte e per sei mesi sotto, e anche la durata dei crepuscoli si misura in mesi.
Alle latitudini intermedie la durata dei crepuscoli dipende anche dalla stagione. Ciò dipende dal fatto che la distanza del Sole dai poli celesti varia nel corso dell’anno, e questo cambiamento di posizione influisce sulla geometria del percorso diurno del Sole e sull’angolo con cui interseca l’orizzonte al sorgere e al tramonto. Durante i mesi estivi il Sole è a nord dell’equatore celeste, cioè più vicino al polo nord (celeste). Alla nostra latitudine di circa 45 gradi nord, durante l’estate il sorge e tramonta secondo una traiettoria che è meno inclinata sull’orizzonte rispetto ai mesi invernali: di conseguenza la durata dei vari crepuscoli è maggiore d’estate che d’inverno.

Il colore del cielo

Il fatto che il cielo ci appaia luminoso dipende dalla presenza dell’atmosfera, le cui molecole hanno la proprietà di diffondere (cioè deviare) la luce. Se non ci fosse l’atmosfera, noi vedremmo la luce solare solo guardando direttamente nella direzione del Sole: vedremmo cioè il disco del Sole illuminato, e tutto il resto del cielo apparirebbe buio (a parte le stelle), come succede sulla Luna (che, appunto, non ha atmosfera). La luminosità del cielo di giorno è prodotta da quella parte di luce solare che, invece di passare in linea retta sopra la nostra testa, viene deviata dall’atmosfera verso il nostro occhio. La diffusione della luce avviene a causa dell’interazione tra la radiazione elettromagnetica e le cariche elettriche (elettroni) che sono contenute nelle molecole dell’atmosfera. Per una legge fisica che non è possibile spiegare in questa sede, questo processo di diffusione è molto più efficiente per le radiazioni di frequenza maggiore (luce blu e violetta) rispetto a quelle di frequenza minore (luce arancione e rossa). Perciò quando guardiamo il cielo di giorno, vediamo una luce che ha un contenuto di azzurro superiore a quello della luce solare diretta: il Sole appare bianco (colore che risulta da una sovrapposizione di luce rossa e blu in quantità bilanciate), ma il cielo è blu.
Nelle ore vicine al sorgere o al tramonto, quando guardiamo in direzione del Sole vediamo la sua luce dopo che essa ha attraversato uno spesso strato di atmosfera, che ha diffuso lateralmente gran parte della componente azzurra della luce solare. Quello che vediamo è quindi la frazione di luce che rimane, quella arancione e rossa; perciò in queste condizioni il disco del Sole e le zone di cielo immediatamente vicine ad esso appaiono di colore rosso-arancione, mentre se guardiamo sopra la nostra testa o in direzione opposta al Sole, il cielo appare ancora azzurro o violaceo.

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Scritto da

mario_carpino_avatar Mario Carpino

Astronomo presso l'Osservatorio Astronomico di Brera

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