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Figg. 7 e copertina articolo: Scatti ottenuti il 20 agosto del 2024 eseguiti con montatura Skywatcher EQ5 SynScan ad inseguimento motorizzato, al fuoco di Telescopio solare Lunt LS60T (D=60 mm, F. 500 mm.) con filtro di bloccaggio B1200 in Halfa, camera di acquisizione ASI 178 MM (monocromatica risoluzione 3096x2080 pixel pari a 6,4 MP), elaborata con AutoStakkert 2.6.8 e Photoshop CS6 (64bit). Al momento dello scatto l’evelazione del Sole era di circa 4 gradi sopra l’orizzonte teorico.

Luce che va, luce che viene con i retroriflettori

2 Ottobre 2024

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Abstract

L’articolo “Luce che va luce che viene” di Roberto Ragazzoni e Marco Barella esplora il fenomeno del retroriflettore, un dispositivo capace di riflettere la luce esattamente verso la fonte da cui proviene, indipendentemente dall’angolazione d’incidenza. L’analisi parte da un concetto semplice, l’effetto creato da due specchi posti ad angolo retto, per poi estendere la discussione ai retroriflettori a tre specchi, utilizzati comunemente nei catarifrangenti e in altre applicazioni industriali e scientifiche.

Gli autori mostrano come questi dispositivi siano utilizzati in vari contesti, dai segnali stradali alle giacche ad alta visibilità, fino alle missioni spaziali come quelle lunari e marziane. L’articolo evidenzia come, nonostante il principio sia lo stesso, i retroriflettori impiegati in contesti spaziali presentino piccole ma fondamentali differenze. Ad esempio, le superfici riflettenti non sono montate esattamente a 90 gradi, ma leggermente inclinate per compensare l’effetto di aberrazione della luce, un fenomeno ben noto in astronomia.

Ragazzoni e Barella arricchiscono l’articolo con un racconto personale, descrivendo un esperimento effettuato presso l’AeroClub di Rovigo per catturare immagini dell’antisole. Dopo mesi di tentativi, gli autori riescono finalmente a ottenere una sequenza di scatti spettacolari che mostrano questo raro fenomeno celeste. Questo esperimento, che combina astronomia e passione per il volo, riflette lo spirito di curiosità e perseveranza degli autori.

Fig. 5: Gli autori riflessi dal retroriflettore costruito per l’occasione. Con i suoi 60cm di lato è facilmente visibile di giorno da una decina di kilometri quando si consegue il dovuto allineamento con la nostra stella.

Articolo di Roberto Ragazzoni e Marco Barella

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Vi sarà capitato, in qualche bagno o giocando con le ante di qualche armadio provviste di specchi, di trovarvi davanti a due specchi con un lato verticale in comune e montati tra di loro ad un angolo prossimo a 90 gradi. Due specchi ad angolo retto, insomma. Non potrà esservi sfuggita la loro capacità “ipnotica” di seguirvi mentre vi spostate a destra od a sinistra davanti a loro. Una semplice analisi con quella che si chiama tecnica di tracciamento dei raggi (in inglese “ray tracing”) mostra che, se disegnati su una superficie piana, da qualunque direzione, e su qualsivoglia dei due specchi un raggio cada, la riflessione combinata dei due specchi rimandi il raggio all’indietro parallelo a quello entrante. E così ci vediamo riflessi in questo “diedro” anche se ci spostiamo ortogonalmente allo spigolo in comune. Tuttavia il fenomeno è limitato ad un piano ortogonale ad entrambi gli spechi. Ma se aggiungete un terzo specchio pure ad angolo retto rispetto ai primi due, l’effetto si estende per qualsivoglia direzione. Questa configurazione prende il nome di riflettore ad angolo di cubo (in inglese abbreviato con CCR: Corner Cube Reflector) ed è uno dei modi più semplici di costruire un “retroriflettore”, uno specchio che rimanda la luce all’indietro. In questo caso un raggio diretto su un qualsivoglia dei tre specchi, purché ampi abbastanza, viene riflesso successivamente dagli altri due e rimandato all’indietro parallelo alla direzione di quello indicente.

Fig.1: Montando due specchi ad angolo retto la luce che indice su uno di questi viene riflessa attraverso il successivo fino a ritornare nella direzione esattamente opposta.

Questo concetto trova un grande numero di applicazioni. Il più comune e quello dei catarifrangenti (da quelli delle biciclette a quelli dei veicoli su strada) che sono spesso realizzati con un grande numero di piccoli retroriflettori stampati su una plastica rossa. Quando viene illuminato ad esempio dai fari di un auto, la luce non viene dispersa in tutte le direzioni, ma viene piegata all’indietro raggiungendo, almeno sommariamente, il luogo da cui viene lanciata e massimizzando quindi l’effetto voluto di farne notare la sua presenza.

Oltre ai catarifrangenti anche cartelli stradali, giacchette ad alta visibilità, i bordi dei teloni dei camion e tanto altro ancora, usufruiscono di retro riflettori, magari microscopici, in modo da aumentarne la visibilità se illuminati.

Il fenomeno si estende a tutte le lunghezze d’onda e vi potrebbe capitare di notare in una darsena qualche barca a vela dotata di un retroriflettore con superfici (o griglie) metalliche per aumentarne la visibilità se illuminata da un radar marino.

Fig.3. Da in alto a sinistra, in senso orario: Un catarifrangente è costruito stampando una superficie di plastica un moltitudine di retroriflettori. Le barche che si spingano oltre le 12 miglia nautiche dalla costa devono obbligatoriamente portare a bordo un retroriflettore metallico per convogliare verso la stazione radar il fascio elettromagnetico che essa emette in modo da renderlo maggiormente visibile, esattamente come per i catarifrangenti per i veicoli terrestri. Attorno alla Terra si trovano in orbita molti satelliti coperti da retroriflettori in modo da misurarne con precisione la distanza illuminandoli dal suolo con un fascio laser, consentendo accurate misure di geodesia e mappando i dettagli del campo gravitazionale terrestre. Fin dalla prima missione Apollo ed in molte missioni automatiche che hanno raggiunto la superficie lunare, dei pannelli retroriflettenti sono stati lasciati in modo da monitorare con precisione migliore del centimetro la distanza Terra Luna. Anche sul rover marziano è presente un piccolo retroriflettore per consentire esperimenti simili con la sonda madre in orbita attorno al pianeta rosso.

Uno dei primi esperimenti portati da Armstrong ed Aldrin sulla Luna consisteva in una “valigetta” con un certo numero di retroriflettori poggiati sulla superficie selenica. Alcuni satelliti artificiali, dopo il LAGEOS che ne è stato capostipite, si presentano come una sfera letteralmente “tempestata” da questi piccoli dispositivi ottici. Il loro scopo è quello di riflettere la luce all’indietro consentendo di rivolgere verso l’osservatore ad esempio una discreta quantità della luce di un potente fascio laser che lo investisse. Dal tempo di volo impiegato da un fascio di luce a tornare verso la sorgente si potrà ottenere, moltiplicando questo ritardo per la velocità della luce e dividendo il risultato per due (per tenere conto del viaggio di andata che si assomma a quello identico del ritorno), la distanza dell’oggetto.

Fig. 2: Il fenomeno della aberrazione della luce, scoperto da Bradley nel 1728, colpisce doppiamente un retroriflettore che si muova, in orbita o sulla superficie lunare, ad una velocità importante. A causa di questo problema i retroriflettori montati su satelliti o su altri corpi celesti, sono costruiti con angoli leggermente differenti dai 90 gradi.

Se questa è la spiegazione “standard” che trovate in tanti articoli è forse un’ironia della sorte che i veri retroriflettori montati a bordo di satelliti, esperimenti o rover lunari, sintanto sonde spedite alla volta di Marte e certamente in un prossimo futuro alla volta di pianeti ancora più distanti, non vengano costruiti con superfici riflettenti poste esattamente a 90 gradi, ma deliberatamente montate ad un angolo leggermente diverso da quello retto.

La motivazione alla base della scelta va ricercata in un fenomeno ben noto in astronomia, quello dell’aberrazione della luce delle stelle. La sua rappresentazione classica usa un ombrello ed una pioggia scrosciante come materializzazione dei fotoni provenienti dalle stelle. Per rimanere all’asciutto camminando speditamente sotto un fortunale, dovremo inclinare il parapioggia opportunamente in modo da comporre la nostra velocità con quella di arrivo delle gocce di pioggia. Analogamente, per raccogliere con un telescopio la “pioggia di luce” di una certa stella, saremo costretti ad inclinare il telescopio di un certo angolo. Questa spiegazione classica non tiene conto della relatività ristretta, per cui la velocità della luce nel vuoto è immodificabile. Ruotando attorno al Sole con una velocità periferica di 30 m/s, pari ad un decimillesimo della velocità della luce, l’angolo risulterà piccino ma assolutamente apprezzabile. Nel corso dell’anno infatti il movimento varia con una escursione massima di circa 40 secondi d’arco, circa il diametro medio del disco di Giove. Ma per misurarlo davvero dovrete scrupolosamente eseguire misure accurate nel corso dell’anno in modo da poterne ravvisare l’effetto.

Il nostro retroriflettore, montato a bordo di un satellite o sulla superficie lunare, si muoverà tangenzialmente in modo simile e lui stesso “vedrà” la sorgente di luce (il laser trasmesso da terra) aberrato per effetto della composizione del suo movimento con la luce. Invertendone la direzione di arrivo la velocità del retroriflettore si compone ulteriormente con la luce raddoppiando l’effetto di aberrazione. Per consentire quindi che il fascio di ritorno colpisca, almeno in parte, la stazione di lancio, le tre facce del retroriflettore sono montate con un angolo leggermente differente in modo che la luce di ritorno copra un anello che comprenda anche l’origine del fascio luminoso.

Gli autori riflessi dal retroriflettore costruito per l’occasione. Con i suoi 60cm di lato è facilmente visibile di giorno da una decina di kilometri quando si consegue il dovuto allineamento con la nostra stella.

Se le applicazioni dei retroriflettori sono vastissime, una davvero curiosa è quella di materializzare l’antisole!!! L’antisole o punto antisolare, è quel punto sulla sfera celeste, per un dato osservatore, che si trova dalla parte opposta rispetto al disco solare. Incuriositi dal fatto che abbondano le immagini di grandi aerei di linea sovrapposte alla cromosfera (alle quali è tutto sommato facile assistere casualmente durante un’osservazione solare) mentre sono rarissime o quasi inesistenti quelle di piccoli aerei da turismo, abbiamo voluto “forzare” la situazione e scattare a bellapposta un’immagine del genere. Facendo qualche conto, complice le quote di volo molto differenti tra i due tipi di aeromobili, è facile convincersi che questo tipo di scatti possono realizzarsi solo all’alba ed al tramonto e che l’allineamento di Sole, aereo ed osservatore, deve essere ricercato con grande precisione ed è sostanzialmente quasi impossibile da ottenersi in modo casuale. Come riuscire a mettersi il Sole esattamente alle spalle?

L’aereo utilizzato è un P92 Eaglet “Experimental” con peso al decollo di 630kg con permesso di volo rilasciato dall’ENAC.

La riposta è quella di puntare con l’aeroplano (non abbastanza a lungo da colpirlo, ovviamente…!!!) l’osservatore al suolo e contemporaneamente il punto antisolare. Per materializzarlo “basta” montare un retroriflettore nei paraggi dell’osservatore di dimensioni abbastanza importanti da convogliare abbastanza luce solare da essere facilmente visibile di giorno ad occhio nudo da una distanza di una decina di kilometri. Presto fatto costruiamo un retroriflettore con tre specchi “casalinghi” da 60cm di lato che posizioniamo a fianco dell’aviosuperficie dell’AeroClub di Rovigo. Marco, che osserva il sole da quando ci siamo conosciuti alle scuole superiori, si piazza a poca distanza con il suo telescopio ed io, ai comandi di un piccolo aereo biposto, mi presto allo scatto. Il breve periodo di tempo a disposizione e la necessità di un cielo terso e sgombro di nubi osservando il Sole a un’altezza di meno di una decina di gradi farà si che inseguiamo questo obiettivo per quasi un anno, ovviamente contando i ritagli di tempo dal lavoro ed altri impegni. Finalmente il 20 agosto tanta costanza viene premiata ed otteniamo alcune sequenze da cui sono tratti gli scatti che riportiamo in queste pagine.