I miraggi: la rifrazione della luce e i suoi effetti ottici

Sapete cosa sono i “miraggi”?

Il miraggio è un fenomeno ottico dovuto alla rifrazione della luce. Ricordiamo che la luce è un’onda elettromagnetica e, quando attraversa una superficie di separazione tra due mezzi (mezzo 1 e mezzo 2), la sua velocità di propagazione varia. In questo passaggio, l’onda si divide in due: una parte inverte la direzione di propagazione da un mezzo all’altro (mezzo 2). Questa è l’onda rifratta/trasmessa. Contemporaneamente, si verifica anche il fenomeno della riflessione, dove una parte dell’onda torna nel mezzo 1, formando un angolo con la normale alla superficie di separazione uguale all’angolo dell’onda elettromagnetica incidente.

Ogni mezzo è caratterizzato da un parametro chiamato indice di rifrazione, definito dalla relazione:

dove è la velocità della luce nel vuoto.

La velocità della luce fu misurata per la prima volta da Roemer nel 1676 tramite osservazioni astronomiche, determinando un valore di circa . Successivamente, nel 1850, Foucault e Fizeau effettuarono una seconda misurazione, che portò a un valore di . Nel 1927, Michelson effettuò una terza misurazione, ottenendo . Misurazioni più precise hanno portato al valore finale di con un errore di 1 m/s. L’indice di rifrazione è sempre maggiore di 1.

Il piano di incidenza tra due mezzi è definito dal piano individuato dalla direzione dell’onda piana incidente e dalla normale alla superficie di separazione tra i due mezzi trasparenti. Chiamiamo l’angolo di incidenza dell’onda elettromagnetica rispetto a e l’angolo che l’onda trasmessa forma rispetto al versore . Definite queste grandezze, ricordiamo la legge di Snell o di rifrazione: il rapporto tra il seno dell’angolo di incidenza e il seno dell’angolo di rifrazione è costante ed è pari al rapporto tra le velocità di propagazione.

Una volta chiariti questi punti fondamentali, possiamo tornare al discorso sui miraggi. La luce attraversa gli strati meno densi dell’atmosfera perché in questi strati l’indice di rifrazione è più basso. Secondo il principio di Fermat, la luce segue il percorso che richiede il minor tempo possibile. Questo fenomeno è noto come principio del cammino ottico minimo. In pratica, i raggi luminosi si piegano e si rifrangono quando passano attraverso strati d’aria con diversa densità, causando l’apparizione di miraggi. Un miraggio è un fenomeno ottico dovuto alla rifrazione della luce che, in presenza di particolari condizioni atmosferiche, fa apparire un oggetto distorto, creando la percezione visiva di immagini di oggetti lontani che sembrano sospesi in aria o capovolti come riflessi da uno specchio. Si ha un miraggio quando gli strati inferiori dell’atmosfera diventano meno densi a causa dell’alta temperatura: i raggi luminosi che portano l’immagine, passando attraverso questi strati, si rifrangono con un angolo molto piccolo, riflettendosi fino all’osservatore.

Curiosità: Il miraggio della Fata Morgana

La “Fata Morgana” è un particolare miraggio che si verifica quando sul mare si formano tre strati d’aria a temperature diverse: uno strato freddo compreso tra due caldi. In questo caso, il cielo funge da specchio, riflettendo gli oggetti che si trovano al livello del suolo e facendoli sembrare sospesi in aria. In Italia, questo fenomeno può verificarsi sullo Stretto di Messina.

Nota. L’ispirazione per questo post è venuta leggendo il “Libro dei perché” di Giunti. L’obiettivo era cercare di appassionare i ragazzi ai fenomeni legati alla luce e ai suoi effetti ottici. Molte delle frasi dell’articolo sono citazioni del libro, per la semplicità e l’immediatezza con cui trattano argomenti complessi, rendendoli accessibili a studenti delle scuole superiori.

Per ulteriore materiale su temi affini, consigliamo la lettura degli Esercizi sull’ ottica geometrica.

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