lunedì 24 febbraio 2014

Molte onde, una sola luce

Abbiamo detto spesso che parlare di luce o parlare di onde elettromagnetiche è la stessa identica cosa. Le onde elettromagnetiche sono il risultato dell'interazione tra due particelle cariche elettricamente. Tali onde viaggiano ad una velocità pari a 300 mila chilometri al secondo (nel vuoto, almeno).
Ora, un'onda elettromagnetica, come tutte le onde, avrà una lunghezza d'onda. Che poi è lo stesso che dire che avrà una frequenza.
Questi sono concetti comuni di cui spesso si ascolta e, magari senza aver compreso bene bene, si ripete. Allora facciamo chiarezza sui concetti di lunghezza d'onda e frequenza.
Cos'altro meglio di una immagine per spiegare questi concetti? Eccola qua:

http://www.elemania.altervista.org

Dunque la lunghezza d'onda è la distanza tra due massimi in ampiezza (o due minimi). La frequenza è il numero di oscillazioni che avvengono in un secondo cioè quante volte, in un secondo, passano due massimi dell'onda in un certo punto (o due minimi). Ovviamente queste due quantità sono intimamente legate tra loro. Come?
Due onde elettromagnetiche possono avere diverse lunghezze d'onda (o frequenze) ma hanno una cosa in comune: viaggiano entrambe a 300 mila chilometri al secondo, alla stessa velocità. Cioè dopo un certo tempo hanno percorso la stessa distanza.
Ecco un'analogia se volete: voi ed un vostro amico fate una gara di camminata veloce. Però voi fate dei passi più corti di quelli del vostro amico (che li fa più lunghi). Nonostante ciò, però, siete sempre alla pari nella gara. L'unica spiegazione possibile è che lui, i suoi passi lunghi, li fa più lentamente; mentre voi, i vostri passi corti, li fate più velocemente.
Perciò, il vostro amico ha una lunghezza d'onda (la lunghezza del passo) maggiore della vostra ma una frequenza (il numero di passi nell'unità di tempo) minore. Tutto questo vale perché state andando alla stessa velocità entrambi e quindi è possibile fare questo tipo di ragionamento.

Per le onde elettromagnetiche accade la stessa identica cosa della vostra gara di camminata veloce. Abbiamo onde lunghe e corte o, se volete, a bassa e alta frequenza rispettivamente. Ma sempre di onde elettromagnetiche stiamo parlando. Cioè, di luce.
Solitamente si parla di luce solo quando la vediamo. Ma in generale quando si parla di luce si parla di tutti i tipi di onde elettromagnetiche. Quindi anche le onde radio (grande lunghezza d'onda, bassa frequenza) sono luce. E anche i raggi X e i raggi gamma (entrambi piccole lunghezze d'onda, alta frequenza). L'unica cosa che differenzia queste onde è la loro lunghezza d'onda (o la frequenza, che è la stessa cosa). Ma viaggiano tutte alla stessa velocità, la velocità della luce.

Ma perché vi sto raccontando tutto questo oggi? Perché gli atomi emettono luce a causa di varie interazioni che ad esempio possono coinvolgere gli elettroni. Ma non tutte le interazioni sono uguali. Quindi abbiamo luce a diverse lunghezze d'onda che viene emessa a secondo del fenomeno fisico che avviene.

Tutto questo è importante? Certo! I nostri occhi sono sensibili solo alla luce visibile, quella dei colori dell'arcobaleno, per intenderci. Non riusciamo a vedere le onde radio o i raggi X. O la radiazione ultravioletta o gli infrarossi.
E magari avere un quadro completo della situazione a tutte le lunghezze d'onda è importante per studiare i fenomeni che avvengono nell'universo e comprendere parecchie cose.

Dunque i nostri occhi e gli usuali telescopi con lenti e specchi non bastano. Ci vogliono strumenti speciali, telescopi particolari in grado di catturare delle immagini a lunghezze d'onda diverse da quelle a cui siamo giocoforza abituati. E grazie a tutto ciò gli astrofisici possono fare luce su quello che accade molto lontano da noi, nell'universo.

Vi faccio un esempio. Prendete la Via Lattea, la nostra galassia. Nel cielo notturno non sembra altro che una striscia oscura, una specie di nuvola che brilla di una luce particolare.

http://images.nationalgeographic.com

O almeno questo è quanto vedono i nostri occhi. Cosa accade alle altre lunghezze d'onda?
Fantastica domanda!
Se volete davvero scoprirlo allora cliccate sul seguente link (http://www.chromoscope.net) e scoprirete che la nuvola oscura poi tanto oscura non è se guardata alla giusta lunghezza d'onda. E scoprirete che, sì, anche il centro, il cuore della Via Lattea diventa accessibile se guardato con i giusti occhi.

Insomma, è davvero importante non fermarsi ad una semplice analisi delle immagini astronomiche bensì osservare gli oggetti astrofisici ad diverse lunghezze d'onda per avere un'idea il più precisa possibile dei fenomeni in gioco.

Quindi, quando sentirete parlare di un nuovo telescopio in orbita o di un nuovo luogo per un nuovo telescopio costruito qui sulla Terra, non fermatevi alle apparenze. Da bravi lettori di Quantizzando chiedete subito: "E questo nuovo telescopio, a quali lunghezze d'onda osserva?".

Non solo farete bella figura; sicuramente l'astrofisico, che vi starà guidando nella visita del luogo in cui verrà costruito il telescopio o che starà elencando le principali caratteristiche del nuovo gioiellino da lanciare nello spazio, vi spiegherà anche perché quel telescopio osserverà a quelle lunghezze d'onda. E (forse) la vostra (nostra!) infinita sete di conoscenza sarà placata.
Almeno per un po'.



domenica 23 febbraio 2014

Che (deci)bel suono!

Nel gruppo di cose che spesso si danno per scontate, sicuramente si trova la definizione di Decibel.
Meglio, tutti sanno che si riferisce al suono. Ancora meglio, qualcosa che riguarda l'unità di misura del suono. Già, ma cosa vuol dire, per esempio, 40 decibel? Sono tanti? Sono pochi? Sono giusti?

Ecco, in questo post cercheremo di capire per lo meno quali sono i numeri sensati da usare se volete parlare di decibel, in famiglia, al bar, a scuola o dove volete.

Iniziamo dalle definizioni. Il decibel è un'unità composta. Vuol dire che innanzitutto dobbiamo capire cos'è il "bel".
Il bel è un'unità non prevista dal sistema internazionale ma comunemente usata. Si tratta di una misura del rapporto tra le intensità acustiche di suoni. Intensità sonora è l'energia di un'onda sonora per unità di tempo e area.
In realtà il bel è un'unità generale che si può usare per qualsiasi intensità di qualsiasi quantità fisica ma nella fattispecie in questo post parleremo di suono. Comunque tenete a mente che il bel si può usare per misurare il rapporto di qualsiasi intensità.
Il nome "bel" deriva dal nome di Alexander Graham Bell, lo scienziato che ha brevettato per primo il telefono (invenzione attribuita, anche dal Congresso degli Stati Uniti, ad Antonio Meucci). Ecco una bella foto di Bell.



Inoltre si tratta di una differenza logaritmica: cosa vuol dire? Significa che se un suono è 10 volte più intenso di un altro allora abbiamo una differenza di 1 bel.
E a cosa corrisponde la differenza di 2 bel? Uno potrebbe dire: un suono 20 volte più intenso. E sbaglierebbe. Una differenza di 2 bel corrisponde ad una intensità 100 volte maggiore. Quindi 3 bel corrispondono ad un'intensità 1000 volte più intenso e così via. Questa è l'unica particolarità. Bisogna solo ricordarsi che la differenza di un bel corrisponde ad un fattore dieci.

Va bene, ma in realtà abbiamo a che fare con i decibel! Cosa sono? Si tratta della stessa differenza tra il metro e il decimetro. Dunque, per esempio, una differenza di un metro in lunghezza vuol dire una differenza di 10 decimetri perché in un metro ci sono, appunto, 10 decimetri.
Identica cosa per i bel. Una differenza di un bel vuol dire una differenza di 10 decibel.
Ancora, va bene. Ma perché si usano i decibel e non i bel? Bel(la) domanda!

Perché esiste la "minima differenza udibile" per l'orecchio umano che è uguale, per l'appunto, ad un decibel. Da questo si deduce anche che, quando si parla di differenza in decibel, stiamo parlando della differenza di intensità rispetto alla soglia di udibilità per l'orecchio umano.
Qui ci sarebbe da specificare che l'orecchio umano è in grado di percepire suoni a diverse frequenze, in particolare nell'intervallo tra i 20 e i 20mila Hertz circa. La soglia di udibilità cambia al cambiare della frequenza, ovviamente. Per definire l'unità di misura del decibel si è scelto il valore della soglia di udibilità a 1000 Hertz.

Adesso dobbiamo mettere i puntini sulle "i". In particolare la differenza tra intensità e forza (cioè "rumorosità"). L'intensità è una misura oggettiva che non dipende dall'orecchio umano ma solo dalle caratteristiche fisiche delle onde sonore che si propagano. Per quanto riguarda la forza invece le cose  dipendono anche dalla frequenza e inoltre l'unità di misura è chiamata "phon".
Quindi intensità e forza di un suono non sono necessariamente la stessa cosa.


Nel grafico di sopra le curve in grassetto mostrano il comportamento di suoni con la stessa forza al variare della frequenza. Si può notare dal grafico che si possono avere gli stessi decibel per diversi suoni che hanno differenti combinazioni di forza e frequenza. Per questo è necessario scegliere una particolare frequenza con cui fissare la scala dei decibel.

La curva tratteggiata nella figura rappresenta la soglia di udibilità dell'orecchio umano. Come si può vedere a 1000 Hertz non abbiamo esattamente zero decibel (bensì 4 decibel) per questa soglia ma comunque si è scelto questo valore come riferimento. Quindi, in definitiva, la soglia di udibilità ha zero decibel a 1000 Hertz.

Dunque, ricapitoliamo. Se abbiamo un suono di 6 decibel, abbiamo un suono 1000000 (un milione) di volte più forte del minimo suono udibile dal nostro orecchio. Un suono di 10 decibel è un suono diecimila milioni di volte più forte del minimo suono udibile dal nostro orecchio. Ancora una volta, così via.
Ovviamente, un suono della stessa intensità della soglia di udibilità dell'orecchio umano è un suono di zero decibel.

Dopo questa spiegazione sono sicuro che saremo più in grado di apprezzare i soliti numeri che spesso leggiamo in giro relativi ai vari valori di suono/rumore.




Bene, ora sapete abbastanza sui decibel per poter dire al vostro vicino che alle sette di domenica mattina usa il trapano: "Ma la vogliamo smettere con questi 120 decibel, o no?".




domenica 9 febbraio 2014

I crateri della Luna

Secondo Topo Gigio la Luna è il più grande pezzo di formaggio dell'universo. E come dargli torto? D'altronde è piena di buchi vista qui dalla Terra.
Ovviamente noi sappiamo che i buchi sono dei crateri e non le fantastiche architetture di un buon pezzo di formaggio!
Crateri che si sono formati a seguito di impatti con asteroidi, i quali a differenza di quando avviene sulla Terra, anche se di piccoli dimensioni sono riusciti e riescono a raggiungere la superficie lunare data la mancanza di atmosfera.
Infatti fin quando un asteroide viaggia nello spazio dove non c'è praticamente niente (o comunque pochissimissimo!) tutto va bene. Quando invece il sassone/ino entra nell'atmosfera accade che l'aria che si trova davanti all'asteroide viene compressa rapidamente. La temperatura dell'aria in quella ragione dunque aumenta e quindi l'asteroide si riscalda e alla fine brucia. Se brucia interamente nell'atmosfera siamo salvi, altrimenti occhio alla testa!

(Piccola nota: non ho minimamente parlato di attrito, anche se in piccola parte, in tutto questo, conta anche l'attrito. Quella che ho descritto sopra è la causa principale che distrugge gli asteroidi.).

Comunque, ora stiamo parlando della Luna, quindi torniamo a noi.
E siccome non c'è (o comunque pochissimissima!) atmosfera, come già detto,  l'asteroide impatta la superficie e si formano i crateri.
Inoltre sulla Luna ci sono anche zone più scure che si possono osservare: essi sono chiamati mari. Ma non perché ci sia dell'acqua! Solo perché sono zone osservate di colore scure che ricordano l'aspetto del mare.
Un mare lunare è praticamente il risultato di materiale vulcanico fuoriuscito successivamente all'impatto di qualche asteroide.
Se volete avere un'idea visiva di quanto detto finora ecco un ottimo video della NASA che mostra l'evoluzione della Luna da satellite senza crateri a grande pezzo di formaggio (per Topo Gigio!).




venerdì 7 febbraio 2014

Come nasce l'aurora

Tra tutte le possibili foto astronomiche di galassie, ammassi di galassie, nebulose e via dicendo, vi è una particolare categoria di foto che suscita praticamente sempre la passione per i fenomeni celesti più di tutte le altre.
Non avete ancora capito di cosa sto parlando? Forse una foto potrebbe darvi qualche indizio:

Fonte: Astronomy picture of the day (http://apod.nasa.gov)
Esatto, stiamo parlando dell'aurora. 

Comunque, partiamo dal principio. 
Siamo nel nostro sistema solare. Ovviamente abbiamo il Sole e altrettanto ovviamente abbiamo i pianeti (e anche altre cose ma per ora "non ti curar di loro ma guarda e passa"). 
Il Sole è una palla di gas caldo, lo sappiamo.  Quello che forse non tutti sanno è che il Sole produce un vento, il cosiddetto vento solare. 
In pratica il vento solare è un flusso di elettroni e protoni che partono dal Sole e fanno una gita nel sistema solare. Ma, un momento! Il Sole ha un campo di gravità incredibilmente enorme: come fanno queste piccolissime particelle a scappare? Devono avere la giusta velocità. Se vanno abbastanza rapide allora riescono a sfuggire alla gravità del Sole e a continuare il loro viaggio-premio. 

Bene, chiarito questo andiamo avanti. Questo vento si propaga nel sistema solare. Ad un certo punto si imbatte in un piccolo pianeta tutto azzurro (ehm, la Terra). Cosa accade? Un bombardamento? Più o meno. Il punto è che tra noi e il vento solare c'è un altro protagonista: il campo magnetico terrestre. 

Ah, bene, direte voi. Ma cos'è? E perché esiste? Ottime domande. Siccome non sappiamo ancora spiegarci per bene la causa che genera il campo magnetico terrestre (detto anche, per gli amici, campo geomagnetico), diremo solo cos'è. 
Un campo magnetico, in generale, è un campo prodotto da particelle cariche che si muovono. Quello che interessa a noi è che quando delle particelle cariche (come lo sono ad esempio, negativamente gli elettroni e positivamente i protoni) incontrano un campo magnetico allora non c'è scampo. 
Cioè, i campi magnetici sono come le tasse: non si possono evitare. Dunque mestamente le particelle che compongono il vento solare, dopo alcune imprecazioni che non stiamo a riportare, iniziamo ad attraversare il campo magnetico. Inoltre, seguendo le regole del campo magnetico. Cosa vuol dire quest' ultima affermazione? Questa è un po' difficile da spiegare ma possiamo pensare alla seguente analogia: nel campo gravitazionale terrestre gli oggetti cadono verticalmente piuttosto che orizzontalmente. Allo stesso modo ma in maniera diversa, le particelle cariche seguono i dettami del campo magnetico che incontrano e si muovono lungo le "linee" che descrivono tale campo magnetico.
Dunque se conosciamo come sono fatte le linee del campo geomagnetico allora sappiamo come si muoveranno le particelle del vento solare.

A questo punto è meglio una bella figura che descrive quello che abbiamo detto fin qui che mille altre parole:

Fonte: en.wikipedia.org

Prossima domanda: il campo geomagnetico scherma e protegge la Terra dal vento solare; dunque come fanno gli elettroni e protoni solari ad arrivare sulla Terra (per poi produrre le aurore, come vedremo tra pochissimo)? 
Questo accade grazie ad un fenomeno chiamato riconnessione magnetica. In pratica, in principio, il vento solare "accarezza" le "pareti" esterne del nostro campo magnetico (scusate per l'abbondanza di virgolette!) e sembrano allontanarsi per sempre dal nostro pianeta. In realtà, a causa di una serie di complicati processi legati alle diverse direzioni sia del campo geomagnetico sia del campo magnetico associato al vento solare (che esiste perché un campo magnetico c'è sempre quando ci sono particelle cariche che si muovono), dunque dicevo, a causa di complicati processi le particelle del vento solare riescono a penetrare nel campo magnetico (sempre comunque muovendosi lungo le linee di campo, ovviamente).  Come detto, la cosa è abbastanza complicata, ma la NASA ha creato un video brevissimo che spiega come vanno le cose. Eccolo qui: 



Ci siamo finalmente! Elettroni e protoni del vento solare sono arrivati a farci visita dopo mille peripezie magnetiche che,  probabilmente, non hanno tanta voglia di raccontarci. Cosa accade a queste particelle? Dopo tutto quello che hanno passato ci mancherebbe altro che subissero qualche fenomeno insignificante. No, sono particelle speciali e alla fine producono le celeberrime aurore!

Già, le aurore polari. Il fatto che avvengano nelle zone polari del nostro pianeta è ormai chiaro: siccome le aurore sono generate dalle particelle del vento solare e tali particelle sono "guidate" dal campo geomagnetico verso alte latitudini, il fatto che avvengano ai poli non dovrebbe più sorprendere. 

Ora vediamo cosa accade. Innanzitutto cosa c'è nell'atmosfera? Molecole di azoto, di ossigeno e anche qualche qualche atomo di ossigeno (la differenza tra molecole e atomo? Una molecola è formata da più atomi). 
Quando queste super-energetiche-velocissime particelle del vento solare incontrano i quieti atomi  dell'atmosfera accade che quest'ultimi vengono, come si dice in gergo, "eccitate". Se volete è come se in un paese di anziani improvvisamente arriva un gruppo di giovani a fare baldoria e i vecchietti iniziano a fare chiasso anche loro trascinati dalla verve giovanile. 
Fisicamente parlando, quello che accade quando una molecola viene eccitata è che un elettrone che vagava intorno al nucleo spensierato improvvisamente acquista energia a causa della collisione con le particelle del vento solare. 
Come per i vecchietti di prima, quando i giovani se vanno si ritorna alla calma piatta. E così l'elettrone della molecola. Dopo un certo periodo di tempo ritorna allo stato in cui si trovava prima. 
Ma se ci è voluta una collisione per farlo eccitare, tornare al punto di partenza anche ha una conseguenza: viene emesso un fotone. 
A seconda del grado di eccitazione ricevuta, quando il fotone torna "al suo posto", viene emesso un fotone più o meno energetico. Il grado di eccitazione dipende anche dalla molecola/atomo in cui l'elettrone che si eccita si trova. Per quanto riguarda il caso di atomi di ossigeno che si trovano nelle parti alti dell'atmosfera i fotoni che vengono emessi sono tali che la loro lunghezza d'onda prevalentemente osservabile dall'occhio umano è quella che da la luce verde (ricordatevi che la luce, cioè i fotoni, sono onde elettromagnetiche).

Altro punto da spiegare: le aurore avvengono a 100 km di altezza circa nell'atmosfera. Perché? 
Abbiamo detto che gli atomi di ossigeno vengono eccitati dalle particelle del vento solare. Se fossimo in un ambiente pieno di atomi e/o molecole allora gli atomi di ossigeno potrebbero perdere la loro eccitazione o eccitarsi ulteriormente semplicemente urtando un altro atomo o un'altra molecola. Per avere l'emissione di un fotone "verde" dovuto all'eccitazione da parte di particelle del vento solare, i nostri carissimi atomi di ossigeno devono stare da soli, insomma si devono concentrare sul loro lavoro, se volete. Scherzi a parte, quello che voglio dire è che ci vuole una densità di atomi/molecole piuttosto bassa per fare in modo che gli atomi di ossigeno ritornino alla loro configurazione iniziale e quindi per emettere la luce verde. Questa condizione è soddisfatta nell'alta atmosfera. Inoltre è proprio nell'alta atmosfera che si trova una maggiore abbondanza di atomi di ossigeno. Insomma, a 100 km di altezza si ha il mix perfetto.

Ultima cosa: dove si possono vedere le aurore? Come abbiamo già detto, esse vengono chiamate polari, quindi potete immaginare che se siete in vacanza in Molise (?) non se ne parla proprio. Comunque se volete osservarne una allora armatevi di cappotto e prenotate un biglietto per Alaska, Canada e Scandinavia. 
Se proprio siete già stati nei posti già citati ma non vi siete accorti dell'aurora allora, beh, altre mete esotiche potrebbero essere gli altri pianeti. Perché sì, le aurore avvengono anche su gli altri pianeti visto che gli ingredienti fondamentali sono il vento solare e il campo magnetico. Ecco un esempio su un pianeta amatissimo: Saturno.



Dunque siamo partiti dal Sole e abbiamo seguito questi poveri elettroni e protoni nel loro viaggio nel sistema solare. Ci siamo imbattuti in un tenace campo magnetico e dopo un po' di giravolte siamo arrivati ai poli. Quando sembrava finita, degli innocenti atomi di ossigeno si sono messi tra i piedi e...ecco l'aurora!