Miraggi

'Calmati!' Fu proprio quello che dissi a Marco l'altro giorno, quando venne di corsa a segnalarmi uno strano fenomeno che aveva appena osservato. Stava, infatti, con la sua ragazza su una spiaggia ad osservare la Luna che tramontava vicino all'orizzonte, e i due piccioncini si accorsero che, man mano che la Luna si avvicinava all'orizzonte, si schiacciava sempre più, assumendo una forma quasi simile a quella di un disco volante... Che fosse opera di alieni che volevano distruggere la Luna prima di invadere la Terra? Riuscii a calmarlo solo quando gli spiegai che era solo un miraggio, e che il fenomeno non aveva nulla di particolarmente strano.

Come avevamo già visto qualche settimana fa, infatti, quando un raggio di luce passa da un mezzo trasparente ad un altro (per esempio da aria ad acqua), esso si “piega” a causa del fatto che la velocità della luce nei due mezzi è diversa. La proprietà caratteristica di qualunque mezzo che descrive questo fenomeno è quella che viene chiamata indice di rifrazione, che indica proprio di quanto la luce va più lenta rispetto a se viaggiasse nel vuoto.

Ad esempio, mentre per l'aria l'indice di rifrazione è molto vicino ad 1, poiché la luce viaggia quasi come se fosse nel vuoto, l'acqua ha un indice di rifrazione circa uguale a 4/3=1.33, poiché in essa la luce viaggia ad una velocità di circa ¾ rispetto a quella del vuoto (che è la massima velocità possibile). E, naturalmente, quanto più varia l'indice di rifrazione da un mezzo ad un altro, tanto più il raggio di luce viene “piegato”. 

A questo punto, Marco mi obiettò che, osservando la Luna, i suoi raggi luminosi viaggiavano solo nell'atmosfera (era pure una bella giornata limpida, senza vento o pioggia!), per cui non passavano affatto da un mezzo ad un altro. E poi, perché mai avrebbe dovuta vederla schiacciata? Semmai l'avrebbe vista “spezzata”, come una matita in un bicchiere d'acqua... 

L'obiezione fu subito risolta.

L'indice di rifrazione cambia bruscamente da un mezzo ad un altro, ma può cambiare anche all'interno di uno stesso mezzo, se vengono modificate altre proprietà fisiche. Ad esempio, aria calda e aria fredda hanno indici di rifrazione diversi (anche se di poco) – la luce viaggia più velocemente quando l'aria è più calda – e lo stesso vale se cambia il grado di umidità o altro. Questo comporta un effetto molto curioso quando si guarda, attraverso l'atmosfera, un oggetto stellare che si trova ad una certa altezza dal suolo: la posizione “vera” dell'oggetto in cielo è più bassa di quella che appare. Infatti, poiché la nostra posizione usuale di osservazione si trova sulla superficie terrestre, il raggio di luce emesso dall'oggetto stellare deve attraversare tutta l'atmosfera – dagli strati più alti a quelli più vicini al suolo – prima di arrivare al nostro occhio. Ora, gli strati d'aria più bassi sono più caldi di quelli più in alto, poiché sono più vicini al suolo terrestre che è riscaldato dal Sole durante il giorno, per cui man mano che il raggio luminoso “scende” nell'atmosfera, esso incontra indici di rifrazione che cambiano continuamente (anche se molto poco). Ciò comporta che il raggio si piega continuamente, e invece di propagarsi – come usualmente avviene – in linea retta, si propaga seguendo dei cammini curvi. Poiché, però, il nostro occhio è abituato a vedere la luce propagarsi secondo una linea retta, esso “interpreta” il raggio luminoso come se venisse dall'ultima direzione retta prima di incidere sull'occhio, e l'oggetto stellare appare più in alto di quanto sia, come nella figura qui sotto.

Qualcosa di simile era avvenuto con quanto osservato da Marco. La Luna, infatti, è un oggetto stellare esteso (le stelle appaiono, invece, come se fossero puntiformi), per cui i raggi luminosi che provengono dalla parte bassa del disco lunare attraversano strati di atmosfera diversi da quelli provenienti dalla parte alta. In particolare, la luce della parte inferiore della Luna attraversa aria più calda di quella della parte superiore, per cui vengono “piegati” di più verso l'alto che non gli altri. La parte alta della Luna viene vista spostata di meno verso l'alto di quella bassa, per cui il disco lunare si vede più appiattito verso l'alto, e da qui risulta la forma schiacciata osservata da Marco. Lo stesso fenomeno è osservabile anche per il Sole; sempre, però, quando è molto vicino all'orizzonte, in modo tale che la differenza di temperatura tra aria più o meno bassa sia sufficiente per cambiare apprezzabilmente l'indice di rifrazione, ed accorgersi dell'effetto. Tali effetti di schiacciamento, tuttavia, non si osservano sempre, poiché se vi è vento o qualunque altra perturbazione che mescoli l'aria, le differenze di indice di rifrazione possono divenire trascurabili. Marco fu quindi “fortunato” a scegliere una giornata limpida e calma per la sua “scoperta”.

Le sorprese dei cammini curvi della luce nell'atmosfera non sono, però, limitate agli oggetti stellari. Tutti conoscono, ad esempio, quei miraggi che si producono vicino alle strade d'asfalto infuocate dal Sole estivo: può sembrare che una motocicletta si “specchi” nell'asfalto...O, anche, se la “riflessione” non è completa, si possono osservare dei “mostri lacustri” generati da un miraggio prodotto da un battello su un lago.

La spiegazione del fenomeno è sempre dovuta al cammino (molto) curvo della luce nell'aria calda molto vicina al suolo o al lago (come è evidente nella figura, con l'esempio di una palma che si “specchia” nella sabbia calda del deserto).

Ancora più sorprendenti possono essere dei miraggi “superiori”, invece che “inferiori”: se, per qualche motivo atmosferico (correnti d'aria calda o altro), l'aria è più calda in zone un po' più alte dell'atmosfera (o anche tra una zona fredda bassa e una più in alto), gli oggetti come montagne in prossimità di laghi, navi o altro si possono vedere perfino “capovolte” verso l'alto. Questo fu proprio quello che osservò il reverendo S. Vince il primo agosto 1798 al largo di Ramsgate, in Inghilterra: un veliero che viaggiava capovolto in aria, sia uniti per la punta che per la base, come nella sua illustrazione qui sotto.

Probabilmente, il reverendo si impressionò anche più di Marco... ma forse trovò qualche spiegazione meno fisica e più suggestiva!

S. Esposito, fisico