Lo spettro elettromagnetico comprende una vasta gamma di radiazioni che si propagano come onde: radio, microonde, infrarossi, luce visibile, raggi ultravioletti, raggi X e raggi gamma. Queste onde sono ovunque intorno a noi e sono fondamentali per il mondo moderno e per l'era dell'informazione.
Le onde elettromagnetiche sono generate dalla vibrazione di particelle cariche, possiedono proprietà elettriche e magnetiche, e a differenza di altre onde, possono viaggiare attraverso lo spazio vuoto alla velocità della luce. Le onde elettromagnetiche sono caratterizzate dalla loro lunghezza d'onda e frequenza, grandezze fisiche fra loro inversamente proporzionali. Le onde lunghe (come le onde radio) hanno frequenze basse e trasportano meno energia, mentre le onde corte (come i raggi gamma) hanno frequenze elevate e trasportano più energia. Sebbene gran parte dello spettro sia invisibile ai nostri occhi, esso contiene informazioni preziose che gli scienziati possono "vedere" utilizzando strumenti specifici.
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| Onda elettromagnetica dove notiamo il campo elettrico E ed il campo magnetico B che oscillano in fase perpendicolari tra loro e perpendicolari alla direzione di propagazione, il che la definisce un'onda trasversale. |
Di seguito diamo delle informazioni puntuali per le singole regioni dello spettro considerandole in ordine di lunghezza decrescente ossia di frequenza-energia crescente.
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1. Onde Radio:
- Sono le onde elettromagnetiche più lunghe e meno energetiche dello spettro.
- Vanno da lunghezze d'onda di circa 19 centimetri a onde enormi, più lunghe del diametro del pianeta.
- Scoperta da Hertz nel 1888.
- Sono utilizzate per le trasmissioni radio e le telecomunicazioni.
- Sono cruciali per la radioastronomia, consentendo agli scienziati di rilevare e studiare oggetti celesti deboli e distanti che irradiano onde radio (come pulsar, nubi di plasma, quasar).
- Gli oggetti astronomici con un campo magnetico, come il Sole e Giove, producono generalmente onde radio.
- Richiedono antenne molto grandi (array di radiotelescopi) per essere rilevate dallo spazio.
- Le prime trasmissioni radio di Marconi del 1895 stanno ancora viaggiando nello spazio.
- Tra le onde elettromagnetiche, le onde radio sono quelle più lunghe e trasportano l’energia più bassa.
- Gli scienziati hanno bisogno di antenne molto grandi per rilevare onde radio provenienti dallo spazio, deboli e di lunghezza d'onda lunga.
- Molte delle più grandi scoperte astronomiche sono state fatte usando le onde radio.
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2. Microonde:
- Hanno lunghezze d'onda comprese tra 30 centimetri e un millimetro, situate tra le onde radio e gli infrarossi.
- Hanno applicazioni pratiche nella vita di tutti i giorni (forni a microonde, telecomunicazioni).
- Sono utilizzate nei radar doppler per le previsioni meteorologiche a breve termine.
- I satelliti che utilizzano le microonde forniscono una visione globale dei modelli meteorologici e delle temperature superficiali, migliorando la precisione delle previsioni.
- Diverse bande di microonde penetrano attraverso nuvole, polvere, fumo, neve e pioggia, rendendole ideali per l'osservazione della superficie terrestre, come la copertura di ghiaccio marino artico e le aree di deforestazione.
- Sono utilizzate dai sistemi di posizionamento globale (GPS).
- Possono essere combinate con dati provenienti da altre parti dello spettro per studiare la composizione di oggetti cosmici.
- La scoperta accidentale del fondo cosmico a microonde da parte di Penzias e Wilson nel 1965 fornisce una prova importante a sostegno della teoria del Big Bang.
- Le microonde possono cuocere i popcorn, permettono di misurare la velocità delle auto quando sfrecciano in strada, trasportano migliaia di canali telefonici per velocizzare le nostre chiamate.
- Le misurazioni satellitari a microonde rivelano l'intera copertura di ghiaccio del mare artico ogni giorno, anche dove sono presenti le nubi.
- Questa radiazione è chiamata fondo cosmico a microonde e se i nostri occhi potessero vedere le microonde, l'intero cielo risplenderebbe di una luminosità quasi uniforme in ogni direzione. L'esistenza di questa radiazione di fondo costituisce una prova importante a sostegno della teoria del Big Bang.
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3. Onde Infrarosse (IR):
- Hanno lunghezze d'onda leggermente più lunghe della luce visibile, da circa 760 nanometri a circa un milione di nanometri.
- Possono essere percepite in parte come calore.
- Oggetti non abbastanza caldi da emettere luce visibile (come gli esseri umani) emettono solo onde infrarosse.
- Esistono strumenti in grado di rilevare la radiazione infrarossa (visione notturna, telecamere termiche c.d. termocamere).
- Sono utili per studiare oggetti nell'universo che non sono visibili con i telescopi ottici, poiché le onde infrarosse possono passare attraverso regioni dense di gas e polvere con minore dispersione e assorbimento.
- La radiazione solare infrarossa, insieme all'ultravioletto e alla luce visibile, guida l'ecosistema terrestre.
- I gas serra nell'atmosfera assorbono la radiazione infrarossa a onde lunghe emessa dalla superficie terrestre, riscaldando l'atmosfera inferiore e mantenendo il pianeta caldo (effetto serra).
- Gli scienziati utilizzano dati infrarossi (soprattutto nel vicino infrarosso) per studiare i cambiamenti nella copertura del suolo, la salute della vegetazione e la composizione del suolo.
- Consentono di studiare oggetti freddi nell'universo, come pianeti, stelle fredde e nebulose.
- Quando si usa un telecomando per cambiare canale sul televisore il telecomando utilizza onde elettromagnetiche che i nostri occhi non riescono a vedere nel 1800 William Herschel condusse un esperimento misurando i cambiamenti di temperatura tra i colori dello spettro visibile e fece anche una misura oltre il colore rosso quando si accorse che proprio quel termometro registrava una temperatura più calda di tutti gli altri colori Herschel capi di aver scoperto un'altra regione dello spettro elettromagnetico la luce infrarossa.
- Le onde infrarossi anno lunghezze d'onda più lunghe della luce visibile e possono passare attraverso regioni dense di gas e polvere risentendo molto meno della dispersione e dell'assorbimento.
- I gas serra nell'atmosfera come il vapore acqueo l'anidride carbonica assorbono la maggior parte di questa radiazione infrarossa onde lunghe che l'assorbimento riscalda l'atmosfera inferiore a sua volta l'atmosfera riscaldata emette radiazioni onde lunghe alcune delle quali si irradiano verso la superficie terrestre mantenendo il nostro pianeta caldo e generalmente confortevole.
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4. Luce Visibile:
- È l'unica parte dello spettro elettromagnetico che gli occhi umani possono vedere.
- Ha lunghezze d'onda che vanno dal viola (circa 380 nanometri) al rosso (circa 700 nanometri).
- Successione colori RAGVAIV: Rosso, Arancione, Giallo, Verde, Azzurro, Indaco e Viola.
- La luce bianca visibile è una combinazione dei colori dell'arcobaleno, come dimostrato dall'esperimento di Isaac Newton con i prismi, raffigurato anche nella front-cover di The Dark Side Of The Moon, mitico album dei Pink Floyd del 1973.
- Fornisce indizi importanti sulle proprietà degli oggetti nell'Universo, come la composizione chimica della materia stellare e interstellare (tramite l'analisi dei deficit di energia a specifiche lunghezze d'onda).
- La composizione di un'atmosfera può essere determinata osservando come le particelle atmosferiche disperdono la luce visibile (es. il cielo appare blu a causa della dispersione della luce blu da parte delle particelle di azoto e ossigeno).
- Il colore di un oggetto può indicare la sua temperatura (oggetti più caldi emettono energia con lunghezze d'onda più corte, apparendo blu; oggetti più freddi appaiono rossastri).
- I dati sulla luce visibile sono utilizzati per studiare i cambiamenti sulla Terra (es. valutazione danni vulcanici, monitoraggio urbano e agricolo).
- Gli altimetri laser utilizzano impulsi di luce visibile (laser) per mappare la topografia e misurare l'elevazione.
- Telescopi come Hubble utilizzano la luce visibile per esplorare l'Universo lontano.
- Tutta la radiazione elettromagnetica è luce. La luce visibile è l'unica parte dello spettro che possiamo vedere.
- La luce visibile contiene importanti indizi che rivelano le proprietà nascoste degli oggetti in tutto l'Universo.
- Quando gli oggetti diventano più caldi, irradiano energia con una lunghezza d'onda più corta, cambiando colore davanti ai nostri occhi.
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5. Raggi Ultravioletti (UV):
- Hanno lunghezze d'onda leggermente più corte della luce visibile, variando da 400 nanometri a 10 nanometri.
- Sono suddivisi in tre regioni: UV-A, UV-B e UV-C.
- Il Sole è una sorgente di radiazioni UV.
- La maggior parte dei raggi UV-A raggiunge la superficie terrestre.
- I raggi UV-B sono dannosi e causano scottature, ma circa il 95% viene assorbito dall'ozono nell'atmosfera.
- I raggi UV-C sono i più pericolosi e vengono quasi completamente assorbiti dall'atmosfera.
- L'atmosfera terrestre assorbe gran parte dei raggi UV, complicando lo studio degli UV cosmici dalla superficie.
- Sono necessari telescopi in orbita per studiare le sorgenti UV nell'Universo, come le giovani stelle calde e le regioni di formazione stellare in galassie lontane.
- Le sostanze chimiche (atomi e molecole) interagiscono con la luce UV, rendendo questa regione interessante per studiare la composizione di oggetti celesti e delle atmosfere planetarie.
- Sono utilizzati per studiare la salute dell'atmosfera terrestre, inclusa la distribuzione dell'ozono.
- Possono essere utilizzati per cercare tracce di ghiaccio d'acqua su corpi celesti (es. la Luna).
- Le giovani stelle calde brillano per la maggior parte alle lunghezze d'onda ultraviolette. Gli scienziati hanno bisogno di telescopi in orbita, sopra l'atmosfera che assorbe i raggi UV, per trovare e studiare queste regioni luminose di formazione stellare in galassie lontane.
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6. Raggi X:
- Sono raggi luminosi ad alta energia con lunghezze d'onda molto corte, comprese tra 3 e 0.03 nanometri.
- Sono così corti che alcuni non sono più grandi di singoli atomi.
- Scoperta da Wilhelm Roentgen nel 1895 (primo utilizzo medico per creare immagini delle ossa).
- Sono utilizzati in medicina per le radiografie.
- Nei laboratori, sono utilizzati per capire la composizione e la struttura atomica di sostanze sconosciute (decodifica di molecole complesse come la penicillina e il DNA).
- Sono emessi da oggetti estremamente caldi ed energetici nell'Universo, che ribollono a milioni di gradi (pulsar, buchi neri, supernove, plasma nella corona solare).
- Sono assorbiti dall'atmosfera terrestre, quindi è necessario utilizzare satelliti per l'osservazione astronomica (es. Osservatorio a raggi X Chandra della NASA).
- Possono rivelare la temperatura di un oggetto (più caldo è l'oggetto, più corta è la lunghezza d'onda emessa).
- Consentono di identificare firme spettrali di elementi in rocce e materiali (es. rocce marziane).
- Raggi X a diverse lunghezze d'onda forniscono informazioni sulla composizione, temperatura, densità o campo magnetico di un oggetto.
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7. Raggi Gamma:
- Sono le onde elettromagnetiche più energetiche in assoluto.
- Sono generate dagli oggetti più caldi e dagli eventi più violenti ed energetici dell'Universo.
- Le loro lunghezze d'onda sono le più corte, grandi circa quanto le dimensioni del nucleo di un atomo.
- Sono così corte che attraversano gli atomi facilmente, rendendo difficile la loro rilevazione diretta (i rivelatori spesso rilevano le particelle cariche create dalle collisioni).
- Sono letali per l'uomo e sono prodotti sulla Terra dal decadimento radioattivo naturale, esplosioni nucleari e fulmini.
- Vengono assorbiti dall'atmosfera terrestre, quindi gli scienziati devono utilizzare palloni e razzi con sensori nello spazio per studiarli.
- Provengono da stelle, supernove, buchi neri e pulsar.
- Le espulsioni di massa coronale dal Sole emettono raggi gamma, fornendo un allarme tempestivo sull'arrivo di particelle cariche potenzialmente dannose per le reti elettriche e di comunicazione.
- Possono essere utilizzati in medicina per distruggere selettivamente le cellule cancerose.
- Sono stati utilizzati per determinare gli elementi che compongono il suolo di Marte.
- Il cielo gamma è imprevedibile, con esplosioni di raggi gamma (lampi gamma) che arrivano dallo spazio profondo e possono durare da frazioni di secondo a minuti, rilasciando enormi quantità di energia (più energia del Sole nella sua intera vita).
- Lo studio dei raggi gamma continua a portare a importanti scoperte in astronomia e medicina.
- Generati dagli oggetti più caldi e dagli eventi più violenti ed energetici dell'Universo, i raggi gamma viaggiano attraverso vasti tratti di spazio, per poi essere assorbiti dall'atmosfera terrestre.
- Sono le onde elettromagnetiche più energetiche in assoluto: i raggi gamma trasportano energia sufficiente per uccidere le cellule viventi.
- Di tutte le onde elettromagnetiche, le lunghezze d'onda dei raggi gamma sono le più corte, grandi circa quanto le dimensioni del nucleo di un atomo. Sono così corte che i raggi gamma attraversano gli atomi con la stessa facilità con cui le comete attraversano il Sistema solare.
- Questi esplosioni di raggi gamma durano da frazioni di secondo a minuti, scoppiando come lampi cosmici, dominando per pochi istanti il cielo di raggi gamma, per poi svanire.
- I lampi di raggi gamma sono gli eventi elettromagnetici più energetici e luminosi dal Big Bang e in 10 secondi possono rilasciare più energia di quella che il Sole emetterà nella sua intera vita, di circa 10 miliardi di anni.
Importanza dello studio dell'intero spettro elettromagnetico
Gli occhi umani sono "sintonizzati" solo sulla piccola regione della luce visibile. Tuttavia, gran parte delle informazioni sul mondo che ci circonda e sull'Universo sono trasportate da altre parti dello spettro elettromagnetico. Gli scienziati e gli ingegneri hanno sviluppato strumenti che consentono di "vedere" oltre la luce visibile. Osservare oggetti e fenomeni in diverse lunghezze d'onda fornisce informazioni uniche sulla loro composizione, temperatura, densità e altri proprietà fisiche, che possono essere rappresentate da "firme spettrali". La combinazione di dati provenienti da più regioni dello spettro elettromagnetico è essenziale per una comprensione completa del nostro pianeta e dell'Universo.Citazione: "Con tutte queste onde che ci circondano, come possiamo guardare un programma alla TV? Come una radio si sintonizza su una certa stazione, i nostri occhi sono sintonizzati su una regione specifica dello spettro EM e possono rilevare energia con lunghezze d'onda da 400 a 700 nanometri, la regione della luce visibile dello spettro."
Per saperne di più sul mondo che ci circonda, scienziati e ingegneri hanno escogitato modi per permetterci di "vedere" oltre quella piccola porzione dello spettro EM chiamato luce visibile.
I dati provenienti da più lunghezze d'onda aiutano gli scienziati a studiare tutti i tipi di fenomeni sulla Terra, dai cambiamenti stagionali ad habitat specifici.
Grazie alle informazioni uniche contenute nelle diverse bande dello spettro EM, apprendiamo sempre di più sul nostro mondo e sull'Universo.
Ora possiamo dire, anche grazie all'astrofisica, che possiamo “vedere” in ogni banda dello spettro elettromagnetico. E scoprire che molto è invisibile agli occhi.
In estrema sintesi, questo post evidenzia la diversità e l'importanza delle diverse regioni delle onde elettromagnetiche. Dalle onde radio a basso consumo energetico utilizzate per le comunicazioni e la radioastronomia, ai raggi gamma ad alta energia prodotti dagli eventi cosmici più violenti, ogni parte dello spettro fornisce informazioni uniche che ampliano la nostra comprensione della Terra e dell'Universo. La capacità di "vedere" in queste diverse bande, al di là della percezione umana della luce visibile, è fondamentale per la ricerca scientifica, le applicazioni tecnologiche e la nostra conoscenza fondamentale della realtà.
Rielaborazione del post "Viaggio nello spettro elettromagnetico" di Maura Sandri, MEDIA INAF, 2021.
Ascolta il podcast...
Spero con questo post di avervi incuriosito a continuare la lettura della mia pagina web dedicata alla COMUNICAZIONE.
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