Raman e il colore del mare

Perché il mare è azzurro? Ho saputo che Raman con un polarimetro scoprì che il colore del mare non era dovuto alla riflessione.
Danilo Delpini
14 settembre 2003
Un polarimetro – si può usare anche una lente degli occhiali polaroid – permette di verificare che se una superficie non metallica, come per esempio la superficie di un lago, viene colpita da luce non polarizzata, la luce riflessa da detta superficie risulta parzialmente polarizzata su un piano parallelo alla superficie. Nel caso del mare, la sua superficie è colpita sia da luce diretta proveniente dal Sole sia da luce diffusa dalle molecole costituenti l'atmosfera (prevalentemente azoto e quindi ossigeno e altre, in generale di dimensioni piccole rispetto alla lunghezza d'onda della radiazione solare). Quest'ultima radiazione è costituita prevalentemente da onde lunghe (o come si dice di colore blu-violetto), è la responsabile del "colore delcielo" ed è parzialmente polarizzata.

Lo studio dello stato di polarizzazione della radiazione proveniente dal mare credo abbia permesso di ipotizzare che questa radiazione sia composta parzialmente da luce riflessa (polarizzata) e parzialmente da luce diffusa dalle molecole d'acqua (e non solo) presenti nel mare, non polarizzata essendo le molecole d'acqua molecole anisotrope 1.

Il motivo del colore del mare è dunque molteplice:

  1. riflessione della radiazione blu proveniente dal cielo;
  2. diffusione della luce da parte delle molecole del mare (meccanismo analogo alla diffusione alla Rayleigh che rende conto del blu del cielo). Questo è anche il motivo per cui prevale il colore azzurro quando in immersione osserviamo l'acqua intorno a noi. Se nell'acqua sono presenti altre molecole (impurità, alghe, batteri ecc.) il colore della luce diffusa può variare;
  3. rifrazione della luce dal mare all'aria, per esempio nelle vicinanze delle coste può prevalere il colore verde dovuto all'attività di organismi fotosintetici presenti in acqua.
Chandrasekhara Venkata Raman è un fisico indiano che ha vinto il premio Nobel nel 1930 per la scoperta dell'effetto che ora porta il suo nome: il cambio di colore (lunghezza d'onda) della luce diffusa da una sostanza trasparente. Si racconta che le ricerche di Raman che lo portarono alla scoperta dell'effetto abbiano avuto origine durante un suo lungo viaggio in mare che lo riportava dall'Inghilterra alla nativa India. Osservando il colore blu del mare (blu anche durante le giornate nuvolose o col mare agitato da violente onde), Raman si dichiarò insoddisfatto della spiegazione accreditata che lo attribuiva alla riflessione del colore del cielo e fece l'ipotesi che le molecole d'acqua diffondessero la luce del Sole causando il colore blu. Ritornato in patria, con semplici apparecchiature a basso costo, intraprese studi sulla diffusione della luce da parte di sostanze trasparenti che lo portarono in due anni alla scoperta dell'effetto Raman2 e al premio Nobel. L'effetto è molto debole, ma essendo legato alla struttura molecolare della sostanza che provoca la diffusione della luce ha permesso notevoli avanzamenti nella comprensione della struttura della materia. Tuttavia non mi risulta che il problema del colore del mare sia interpretabile in termini di questo effetto.

Note:

1. Si possono fare analisi dello stato di polarizzazione della luce diffusa da cui si ricavano informazioni sullo stato di polarizzazione (elettrica) delle molecole della sostanza e quindi sulla loro forma. Per esempio illuminando con luce polarizzata un campione di una sostanza fatta di molecole anisotrope, il momento elettrico indotto nelle molecole dal campo elettrico della luce incidente non coincide in generale con la direzione del campo elettrico inducente. Questo produce in uscita luce diffusa tanto più depolarizzata quanto più le molecole sono anisotrope (quanto più il centro delle cariche negative, cioè la nuvola di elettroni, è lontano dal centro delle cariche positive, il nucleo).

2. Quando la luce attraversa una sostanza trasparente una piccola parte di essa viene deflessa, deviata rispetto alla direzione originaria. La gran parte di questa luce, che chiameremo diffusa, riemerge dalla sostanza con una lunghezza d'onda identica a quella della luce incidente, ma una piccola parte di essa subisce un cambiamento nella lunghezza d'onda. Questo cambiamento ci permette di risalire alle caratteristiche delle molecole della sostanza che ha provocato la deflessione. Per esempio se la luce incide su di una sostanza con molecole isotrope (in cui il centro della nuvola di elettroni, cioè delle cariche negative, coincide con quello del nucleo, cioè delle cariche positive), il campo elettrico della radiazione induce nella molecola un momento di dipolo (proporzionale alla sua polarizabilità). Di conseguenza la molecola riemette un'onda della stessa frequenza dell'onda incidente e altre due onde di frequenza rispettivamente minore e maggiore di questa (pari alla frequenza inducente più o meno una frequenza uguale alla frequenza di vibrazione o di rotazione della molecola). Nell'analisi spettrale della radiazione diffusa dalla sostanza queste sono dette linee Raman. La polarizzazione di cui si parla in questo caso è dunque quella (elettrica) della molecola. L'effetto richiede la meccanica quantistica per una sua completa interpretazione, ma è facilmente visualizzabile in termini di urto di fotoni (la cui energia è proporzionale alla frequenza) con le molecole; se l'urto è elastico il fotone viene deviato con energia (e quindi frequenza) non modificate; se l'urto è anelastico la molecola prende o cede energia al fotone che di conseguenza ha una frequenza minore o maggiore di quella incidente. Si tratta ovviamente di un modello molto semplificato.

Enrica Giordano Dipartimento di Scienze Umane per la Formazione "Riccardo Massa", Università di Milano Bicocca

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