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Astronomia

Avvenimenti
Il raggio verde
Leggenda e realtà



Il raggio verde!
Jules Verne ne parla in un romanzo che porta lo stesso titolo: "...un raggio verde, ma di un verde meraviglioso, di un verde che nessun pittore può ottenere sulla sua tavolozza, un verde di cui la natura nè nella varietà dei vegetali, nè nel colore del mare più limpido, ha mai riprodotto la sfumatura!
Se c'è del verde in paradiso, non può essere che quel verde, il vero colore della speranza
."
Molti la credono una leggenda, invece è un evento reale, e nemmeno tanto difficile da vedere.

Se avessimo l'abitudine di sostare un attimo in raccoglimento, mentre il Sole tramonta, nei pochi minuti in cui possiamo fissare la nostra stella senza proteggerci dalla luce eccessiva, forse lo noteremmo senza andare in paesi esotici, dove pare che sia più durevole e più frequente. Marco Meniero ha studiato a lungo questo fenomeno, e ne parla diffusamente in questo articolo, corredato da immagini meravigliose. (Pasqua Gandolfi)

Il raggio verde ripreso da Marina di Pisa il 17 novembre 2004



Il Raggio verde dalla costa occidentale italiana
The green flash seen from the Italian west coast
by Marco Meniero e Andreina Ricco
www.meniero.it
"Starting from the observation of 600 sunsets, the authors describe an empirical method to foresee the green - ray . This method is based on stochastic observations extrapolated in Italian west coast). In this article the authors examines the phenomena connected with physical conditions and suggests some advice on photography".


Il raggio verde è un fenomeno atmosferico e consiste nella visione di un debole fascio luminoso, verde intenso, che si forma sulla sommità del disco solare al tramontare o al sorgere; raramente, esso può sfumare nel blu/indaco.
La durata, osservata dalla latitudine media italiana, può essere istantanea o, al più, di 2-3 secondi; ciò dipende dalla velocità del tramonto durante l'anno (la velocità varia anche per le diverse latitudini, es. ai Poli il Raggio può durare anche molti minuti). Ad esempio Sir. K.Birkeland riuscì ad osservare dei raggi dalla durata di alcuni minuti durante alcune ricerche dall'Isola di Novalia Zemlja (C.S.I.) e dalla Norvegia durante l'autunno 1988 e la primavera 1900. L'ammiraglio Byrd, al ritorno da una spedizione a Little America (lat. 78°N) riportò di aver osservato un raggio dalla durata straordinaria di 35 minuti.
Questo straordinario fenomeno appartiene alla famiglia delle fotometeore ed in particolare al sottoinsieme dei "green flash". Fanno parte di questa famiglia anche il green segment (formazione di un arco verde molto sottile sulla sommità del Sole quando il suo disco è visibile sopra l'orizzonte per una frazione pari al 30%-40% dello stesso) ed il green rim (il bordo superiore sfilacciato che si distacca dal disco solare quando questo è ancora al di sopra dell'orizzonte, in tal casi il bordo verde si può allargare da 10 primi fino a 2 gradi!). Si può considerare "Raggio Verde" solo quel particolare green flash che si forma quando il disco solare è completamente occultato dall'orizzonte.
Nella letteratura scientifica la prima osservazione descritta fu pubblicata nel 1852 da P.G. Maggi "Sopra alcune apparenze del Sole presso l'orizzonte", Atti delle Adunanze dell'I.R. Istituto Veneto Sci. Lett. Arti. Alla fine degli anni '50 ci furono le prime fotografie italiane della Specola Vaticana.
Attualmente la bibliografia più completa su tale fenomeno è stata stilata dall'astronomo americano Andrew T. Young e si può visionare su http://mintaka.sdsu.edu/GF.

The green flash is an atmospheric phenomenon which can be seen as a faint green light beam visible on the top of the Sun's disk at dawn or at sunset. Seldom the green can fade into blue.
Estimated from the Italian west coast, it can last a very second up to two-three. Its duration is due to the velocity of the sunset during the year; it also changes with the changing of the latitudes. For example: the light beam can last many minutes in the Poles.
Sir Kristian Birkeland observed long beams from Swalbard (Norge) and from Novalia Zemalja (C.S.I.) during his researches about aurora borealis in Autumn 1899 and in Spring 1900. During a voyage to Little America (lat. 78° north) the Admiral Byrd observed the duration of a ray up to 35 minutes, which went beyond any forecast.
The first observation described in scientific literature was "Sopra alcune apparenze del Sole presso l'orizzonte", by P.G. Maggi in 1852 (Atti delle Adunanze dell'I.R. Istituto Veneto Sci. Lett. Arti).
In Italy at the end of '50s the green flash was taken with high profile photos by "Specola Vaticana" Observatory for the first time. Nowadays the astronomer Andrew T. Young explains a good study on his Web site:
http://mintaka.sdsu.edu/GF .


I principali fattori che determinano la visione del fenomeno sono:
La rifrazione atmosferica: variazione della direzione di propagazione dei raggi luminosi se attraversano l'atmosfera terrestre obliquamente; il fenomeno varia col tempo e con il luogo d'osservazione. La rifrazione è proporzionale all'aumento della densità dell'aria, quindi, quando il Sole si avvicina all'orizzonte, la deformazione del suo disco aumenta progressivamente.
la dispersione: separazione delle componenti spettrali di una radiazione elettromagnetica (in particolare della luce visibile); il fenomeno è legato alla variazione della velocità di propagazione della radiazione in funzione della frequenza.
La scintillazione: lo scintillio consiste in una variazione di luminosità apparente di un astro, ciò è dovuto all'insieme delle turbolenze e delle fluttuazioni rapide delle celle d'aria, che appartengono al cilindro di atmosfera interposto tra l'osservatore e l'astro. Le turbolenze sono la principale causa delle irregolarità visibili nella prima foto di queste pagine. Le scintillazione non determina nè un'amplificazione angolare del raggio verde, nè una diminuzione dell'intensità cromatica.
L'assorbimento selettivo: Alcune particelle, come l'ossigeno, l'ozono, il vapore acqueo, e la polvere riescono ad assorbire il rosso favorendo il passaggio dei colori verde e blu con un effetto è modesto.
Le bande di Chappuis di ozono riescono ad assorbire il colore arancione migliorando la visibilità dal verde.
La diffusione: la radiazione luminosa visibile, con corte lunghezze d'onda, decresce d'intensità con l'aumento della diffusione, quindi le lunghezze d'onda più corte vengono penalizzate ed il loro flusso si riduce. Essa non concorre direttamente alla formazione del raggio verde, se non in quella parte del sistema ottico comparabile per misura alla zona di Fresnel (per la luce visibile corrisponde a circa un millimetro visto dalla distanza di 2 metri).
Altri fattori sono le turbolenze causate dai movimenti casuali dell'atmosfera e dalle correnti a getto, e le forti inversioni termiche e bariche prossime all'orizzonte.
L'insieme di questi fenomeni introduce un complesso di colorazioni spurie che diminuiscono la definizione del disco solare e rendono del tutto inaffidabile la percezione dei colori reali. Se a questi fattori aggiungessimo un'ottima trasparenza potremmo ottenere le condizioni ideali per la formazione del raggio verde; si deduce che una sera buona per il raggio verde non lo è ugualmente né per la fotografia planetaria né per il cielo profondo (quest'ultimo in misura minore per la trasparenza).
La causa fisiologica primaria è dovuta alla sensibilità nel rosso dei coni nella retina, la quale determina una visione più chiara del disco solare tale farlo apparire più verde di come lo sia in realtà. Per approfondimenti si può visionare una ricerca di Andrew T. Young sul suo sito (vedi sopra). Esiste tuttavia un ulteriore fattore che determina il fenomeno, esso non è fisico, ma consiste in un processo cognitivo: il fenomeno non si verifica, quindi la pupilla non lo vede, ma il nervo ottico lo ricrea soggettivamente ed inganna l'osservatore che lo vede solo perché è suggestionato dal desiderio di vederlo.

The main causes which determine the sight of the phenomenon are:
Atmospheric refraction: it is the variation of the direction of propagation of the light rays which cross the atmosphere of the Earth. It happens when the phase front of the Sun light hits the surfaces of the different air thickness. The phenomenon changes according to the time and the place you are watching from. The phenomenon proportionally goes with the rise of air thickness, therefore when the Sun approaches the horizon the deformation of its disk increases step by step.
Dispersion: the spectrum of the electromagnetic radiation (light-wave) is scattered by distinguished atmospheric refraction according to different wave-length (colour). The phenomenon follows the changing of the spreading speed of the radiation through the atmosphere of the Earth according to its wavelength and this is the reason why the violet rays are pushed down more than the red ones. The observer can look at the upper side of Our Star coloured in violet and the lower one shining red.
Scintillation: the sparkling makes the Sun apparently change its brilliance. This phenomenon is due to all turbulences and all fast fluctuations of the air-cells which belong to the column of the atmosphere between the observer and the Sun.
Indeed the turbulences are responsible for the irregularities in flashes, such as the one at the top of the Web page. The scintillation does not determines an angular amplification of the green flash, not even it reduces the chromatic bright of the Sun.
The atmospheric selective absorbition: the spectrum of the electromagnetic radiation loses its energy when the light wave hits atmospheric particles which change the energy into heat.
Some particles, such as oxygen, ozone, humidity and dust absorbe a little in the red, favouring a bit passage of the green and the blue. However the selective absorbition is a small effect because the wave-length region absorbed is too narrow to effect the colour of green flashes appreciably. There is a slightly effect from the Chappuis bands of ozone in the orange part of the spectrum, but it is small in determining he colour of green fleshes.
Scattering: the light wave radiation, exactly the short wave-length, can appear less bright according to scattering increasing due to more and more dense atmosphere strati. Therefore the shortest wave lengths, the violet and the blue colour, are reduced and that favours green colour.
Diffraction: diffraction plays no part at all in green flashes. It occurs only when some part of the optical system is comparable in size to the first Fresnel zone (for visible light this is about a millimetre at a distance of 2 meters). However when the phase front of the Sun light travels near the Earth's surface the light waves are deviated so the Sun disk changes its shape.
Other reasons are the turbulences, due to the random atmospheric motions and the high jet-streams, and the strong temperature inversions and pressure ones next to the horizon line.
The primarily physiological mechanism is: the bleaching of the red-sensitive cones in retina, that makes the low Sun appear greener than it normally would. This is dealt with in detail in a paper publisher by Andrew T. Young (see his Web pages).
There could be also a further condition which makes it be watched, that's not a physical reason, but it is a cognitive mechanism: the phenomenon doesn't happen, so the observer's eyes do not see it, but subjectively the mind recreates it and deceives itself, thinking to watch it only because it wants to see it.

Uno studio statistico empirico

Personalmente abbiamo portato a termine una serie d'osservazioni visuali e strumentali del fenomeno, nel tentativo di poterlo prevedere con un margine d'errore minimo e di poter anche predeterminare il giusto tempo fotografico di esposizione. Le osservazioni si sono basate su un campione di circa 600 tramonti scelti in modo casuale fra quelli con cielo limpido. Abbiamo osservato 500 tramonti dal Gennaio 1997 fino ad Ottobre 2000 luogo sulla costa del litorale tra Civitavecchia (RM) e Tarquinia (VT) usando un binocolo 20 X 60 ed un telescopio tipo Newton della Vixen (D: 100mm f/6), usato prevalentemente a 24X e 48X. Successivamente da Ottobre 2002 a Ottobre 2004 abbiamo osservato 100 tramonti con un binocolo Zeiss 7 X 50 e con un Maksutov da 5-inch dai seguenti siti: 30 da Roma, 10 da Sorrento (NA), 40 da Caserta e 10 da Pisa. Durante le osservazioni sono state esaminate attentamente ed annotate le condizioni meteorologiche presenti, i colori dell'atmosfera e del disco solare, le sue deformazioni e le increspature dell'orizzonte marino.
Tale studio ha portato a considerazioni statistiche empiriche limitate al solo comprensorio di osservazione. Tali stime vanno considerate esatte nella misura in cui il campione rilevato rappresenti l'insieme dei possibili tramonti osservabili dai siti presi in esame.
Le stime statistiche dicono che tutti i raggi verdi osservabili sono anticipati dalla formazione di un arco verde, non vale il viceversa. Ogni anno si possono vedere circa 45-50 raggi verdi anche per due giorni consecutivi e più del doppio di archi verdi, concentrati maggiormente nei mesi di Maggio, Giugno, Settembre ed Ottobre (circa il 60%-70% dell'intensità annuale). La possibilità di vedere il fenomeno giornalmente è del 12,3%-13,7%, si deve considerare inoltre che nell'80% dei casi è visibile solamente tramite telescopio o binocolo. La possibilità giornaliera di osservare il raggio verde ad occhio nudo scende quindi al 2,6%.
E' importante, tuttavia, non sottovalutare l'incidenza del processo cognitivo sull'osservatore: ciò dipende dall'esperienza e dalla emotività delle singole persone. Considerando che mediamente la sua incidenza possa essere del 20% su un campione opportunamente rappresentativo di osservatori esperti (come ad esempio un gruppo eterogeneo di astrofili), si potrebbe dedurre che da 45-50 raggi verdi osservabili dalla costa centrale italiana annualmente solo 36-40 siano fisicamente validi, quindi dalla "possibilità di vedere giornalmente il fenomeno" (2,6%) si passa alla "possibilità della sua effettiva manifestazione giornaliera" (2%).
Ci si può rendere conto dell'inganno cognitivo solo se si osserva il fenomeno collegialmente. Un singolo individuo non ne è consapevole perché è autoingannato, per questo motivo le osservazioni non sono mai state condotte in solitudine.

An outlook on statistical figure

We have carried out a series of visual and instrumental observations on the phenomenon, trying to be able to foresee it with a very low miscalculation in order to understand which could be the true value of exposure before the snapshot. We have based our observations on a sample of 600 sunsets which we have been randomly chosen during clear skies ones. We have observed 500 sunsets from the sea-coast next to Rome from January 1997 to October 2000 using a 20 X 60 binocular and a 4-inch f/6 Newtonian (used at 24X and at 48X). From October 2002 to October 2004 we have sampled 30 sunsets in Rome, 10 in Sorrento (Naples), 40 ones from the "Royal Palace" in Caserta and 20 in Pisa; we have used a binocular Zeiss 7X50 and a 5-inches Maksutov. We have carefully observed local weather conditions, atmospheric colours, deformation of the Sun disk and its colours.
While watching far from the sea (in Roma and in Caserta), we have seen the green flash only two times and many times only the green rim, viceversa while watching from the sea-cost, the green ray was very frequent. According to the statistical estimates, we can affirm that a thin green rim precedes all flashes.
Every year we can see 45-50 rays on average; they are concentrated in the following months: May, June, September, October (with a ratio of about 70% of the annual intensity).
The chance to see the phenomenon daily is 12.3%-13,7% (up to 25.8% all through the above mentioned mentioned months, and less than 5.5% during the others).
We have to consider we can see the 80% of these flashes only using the telescope. So the daily chance to observe the green flash without instruments decreases to 2,6%.
However, as I said, it is important not to underestimate the incidence of the cognitive process.
We can roughly estimate the incidence on a representative sample to be about 20%.
You could deduce that, even if, we can watch on average 45-50 green rays from the Italian central coast yearly only 36 - 40 are a real phenomenon, so "the probability to watch the phenomenon daily" (2,6%) becomes "the probability that it happens daily" (2%). You are able to understand the cognitive trick only if you observe in a team. If you are watching alone you are not aware because, may be, you are tricked by your mind and by its cognitive mechanism.


Previsione del raggio verde:

Il fenomeno si può prevedere con circa 20-40 minuti d'anticipo con la probabilità di successo del 66% (2 volte su 3) osservando attentamente i seguenti fattori meteorologici:
- ci deve essere vento sostenuto, come una forte Tramontana;
- un moto ondoso, lontano dalla costa, può amplificare angolarmente il raggio, ma uno eccessivo, o solamente sotto costa, lo può soffocare;
- le velature lo rendono improbabile, ma non impossibile;
- alta pressione sull'orizzonte e cielo limpido almeno 10° sopra il Sole; si è verificato anche con piccole formazioni di cirrostrati 3°/4° sopra di esso;
- si deve essere appena insediato un anticiclone, se è presente da più di 2-3 giorni la visione del raggio è improbabile;
La possibilità di riuscita nella previsione sale al 90% osservando i seguenti fenomeni, circa 5-10 minuti prima del tramonto:
- se il Sole è molto deformato e tremolante, ma luminoso e bianco, il fenomeno è accentuato e visibile ad occhio nudo e si potrebbe vedere il raggio verde sfumare con una tonalità blu;
- la presenza del piedistallo sotto il disco solare vuol dire che le condizioni sono ottimali, ma non certe;
- se il Sole è molto schiacciato, ma rosso, è visibile con il telescopio solo l'arco verde.
Tali condizioni variano nel periodo in cui il Sole tramonta dietro il Monte Argentario (Giugno, Luglio), perché vengono meno le influenze dell'orizzonte marino. Tuttavia se da Civitavecchia si vedono le antenne dei ripetitori sul Monte Argentario (a circa 80KM) ad occhio nudo ed il Sole tramonta dietro le isole dell'Arcipelago Toscano (estate) il raggio verde è certo. In tali casi l'accensione del raggio è più veloce ed i colori sono più contrastati.
Su tutto il campione dei raggi verdi osservati solamente quattro non hanno verificato le ipotesi di previsione, quindi li abbiamo considerati statisticamente trascurabili.
Esiste anche un semplice, ma efficace software per PC ideato da B. E. Schaefer (NASA - Goddard Space Flight Center) utile per la previsione da ogni parte della Terra. Inserendo nell'algoritmo dati come l'elevazione e la latitudine del sito d'osservazione, l'estinzione atmosferica ed altri dettagli, si può conoscere la durata del fenomeno, la sua magnitudine visuale ed il colore stimato del flash: rosso, arancione, giallo, verde o blu.

To foresee the visibility

Many people believe in "serendipity", but I think if they are able to observe the following conditions carefully, they will reduce the randomness. An half hour before the sunset we can forecast the ray with a chance of 66%. You are able to do this if the following meteorological phenomena are present:
a) there must be a north and cold wind, which cames from inland;
b) the wave motions, far from the coast, can determine an angular amplification of the ray, but a very strong wave or only one too close to the coast can delete it;
c) the "veli" make it unlikely but not impossible;
d) there must be high pressure above the horizon and the sky must be clear for at least 10 degrees above the Sun disk. We have watched green flashes two times even if few cirrostrati were 3-4 degrees above the Sun;
e) the presence of a new offspring anticyclone, but if it has been present for more than 3 days, the observation is unlikely;
f) the sky close to the horizon must be white-blue.
Looking through the following phenomena about 5minutes before the sunset, the likelihood of successful forecast increases up to 90%;
g) if the Sun disk is heavy misshaped and flickering, but also bright and white, the phenomenon is more evident and it is visible with naked eyes.
We can watch the flash shading into violet-blue;
h) if we observe a pedestal under the Sun, it means that the conditions of visibility are optimum;
i) if the Sun disk is heavy crushed, but it is red, only the green rim is visible using the telescope.
All these conditions change when the Sun sets behind the Archipelago Toscana's islands (second half of June, July), because during these periods the sunset takes place on the earthy horizon, therefore the influence of the sea runs out, all through these cases the phenomenon happens at the higher altitude above the sea level so the atmospheric refraction and the air density decrease. Furthermore the thermic and baric incidences are less strong. This is due to higher diffraction above the outline of the islands, where the speed of the ray is faster and the green is much brighter.
Among all the green flashes recorded during the sample survey carried out the period, only four had not been conformed with the hypothesis of the forecast, thus they are negligible
.


Fotografia:

La condizione necessaria per la fotografia è l'ottima trasparenza dell'aria.
Per determinare il giusto tempo di esposizione ho sempre applicato la formula:

T.esp= [(f/) x (f/)] / [iso x b]

ma il problema più grande è stata la determinazione di "b" [6]. Dopo alcuni rullini buttati, credo che il valore migliore sia compreso fra "360" e "700". Tuttavia, se si volesse fotografare il raggio da siti lontani dal mare (es. Roma), l'esperienza empirica dimostra che "b" scende a valori compresi fra "100" e "400".
Esempio: usando una pellicola 50 iso e, come teleobiettivo, un telescopio con rapporto d'apertura pari a f/12 si ottiene:

T. esp. = [12 x 12]/ [50 x 700]= 0.004 secondi;

ciò vuol dire che un tempo pari a 1/250 può andare bene. Se "b" fosse stata 360, il tempo sarebbe stato 1/125. Tutti i tempi intermedi sarebbero andati bene in linea di massima, tuttavia il fotografo deve saper prevedere, con l'esperienza, l'effettiva luminosità del raggio per poter scegliere il tempo più preciso possibile, perché è quasi impossibile scattare, ricaricare, cambiare il tempo di esposizione e riscattare durante il raggio se non si dispone di una macchina fotografica con motore o con Winder.
Le pellicole consigliabili sono le invertibili con sensibilità inferiore a 400 iso, credo inoltre che l'Agfa RSXII 50 e la Fuji Velvia 50F diano i miglioro risultati.
Le focali migliori, per il formato 35 mm., sono quelle superiori a 1000 mm., ma non tute le configurazioni ottiche vanno bene perché non devono soffrire di aberrazione cromatica, quindi gli obiettivi acromatici sono sconsigliati.
Considerando le esperienze pubblicate dal prof. P. Candy nel libro "Le Meraviglie del Cielo" e le testimonianze pervenutemi dalle zone di Tarquinia, di Cerveteri, da Roma e da Pisa, si può ritenere che i litorali del Lazio e della Toscana siano un luogo privilegiato per le osservazioni del raggio verde rispetto alle altre regioni d'Italia in cui il fenomeno sembra manifestarsi con minore intensità.
Chi non avesse la fortuna di osservare personalmente lo straordinario cromatismo del raggio verde potrebbe tuttavia visitare il sito finlandese
www.polarimage.fi ed ammirare quelle che sono tra le più belle foto mai scattate di questa fotometeora.

Photo

The first necessary condition to shoot is an optimal clearness of the air. We have always used the following formula to understand the right value of exposure:

[(f/) X (f/)] /[Iso X B]= T (seconds).


The main problem has been to determine "B". We suggest that the best value is between "360" and "700". But, photographing the ray from a place far from the sea, trials and errors prove that "B" decreases to values between "100" and "400"; the more the photographer is far from the sea-cost, the less value he will use.
Example: using a 50 ISO film, and using a telescope f/12 as a telephoto lens, we get:

(12 X 12) /[50 X 700]=0,004";

it means that the right exposure is 1/250. If "B" was 360, the value would be 1/125. As a general rule all intermediate exposures would be right, nevertheless the photographer should be able to foresee the real ray's brightness, using his experiences, to choose the best value he can.
I advice 50 iso slide films, Fuji Velvia and Kodak Ektachrome 64 seems to be the best.
The best focal lens lengths for 35 mm camera must be longer than the 1000 mm ones, but we don't advice the achromatic lens because the achromatic aberration could blurr the green.
In order to observe the Green Lantern, we consider the central sea-cost of Italy a privileged place, compared with the other inland countries in Europe, where the phenomenon seems to show itself at a far less frequency. Also this is in accordance to the experiences published by Prof. Paolo Candy (in Le meraviglie del cielo).
Whatever it is your experience rate, we advice everyone to try to watch it, especially if you are where the sunset takes place on the sea. We advice to visit the wonderful Wes site www.polarimage.fi.
If you see the ray it will remain in your mind as a shining pearl.
Good luck!

by Marco Meniero, Andreina Ricco


ll raggio verde
The green flash

le Rayon vert

Links

Bibliografia

Il romanzo di Jules Verne
Il film di Eric Rohmer
una cartolina dal passato...

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