Uno spettacolare effetto atmosferico : l’arco circumzenitale

Ciascuno di noi ha avuto modo di contemplare più volte la bellezza di un arcobaleno che colora il cielo, specialmente dopo una pioggia violenta o un temporale, e molti artisti hanno dedicato ad esso quadri o componimenti poetici.
L’arcobaleno rientra nelle cosiddette fotometeore, ovvero manifestazioni di natura ottica prodotte da riflessione, rifrazione diffrazione o interferenza della luce solare ad opera dell’acqua presente in atmosfera nelle sue varie forme di aggregazione (vapore, goccioline, cristalli di ghiaccio).
Tra le fotometeore ve ne è però una poco frequente da osservare, ma molto suggestiva, detta arco circumzenitale: si tratta di un arco appunto a forte curvatura verso l’alto di un piccolo cerchio orizzontale vicino allo zenit; questo “sorriso” del cielo presenta colori brillanti, col rosso all’esterno ed il violetto all’interno e fa parte di una sottofamiglia di fotometeore detta degli aloni. Questi sono prodotti da rifrazioni e riflessione della luce da parte di cristalli di ghiaccio in sospensione, tipicamente contenuti nelle nubi alte (cirri) o nelle nebbie ghiacciate.
Il ghiaccio ha una simmetria molecolare esagonale e pertanto i cristalli di ghiaccio, che si formano all’interno delle nubi, sono dei minuscoli prismi a base esagonale di varia lunghezza o dei dendriti (“il classico fiocco di neve”).  Quando la luce passa tra le facce di questi cristalli viene rifratta e riflessa in modo tale da inviare fasci di luce in particolari direzioni.
Nel caso dell’arco circumzenitale i cristalli di ghiaccio sono, in prevalenza, dei prismi a base esagonale, con facce larghe e pressoché parallele al suolo, con dimensioni verticali molto inferiori alle dimensioni orizzontali, dei piccoli dischetti . La luce colpisce la base del prisma con un angolo di incidenza molto piccolo, tanto che possiamo considerare i raggi del sole quasi paralleli alla faccia del prisma; i raggi rifratti fuoriescono da una delle facce laterali del prisma, scomposti ovviamente nei colori dell’iride, in virtù delle diverse lunghezze d’onda cromatiche.

 

      

       Fig.1  La rifrazione dei raggi solari è tale che il colore rosso viene rifratto verso l’esterno e il blu verso l’interno.

L’equazione che lega l’angolo di incidenza α e l’angolo zenitale rispetto all’osservatore γ è data da cos γ =  (1-cos2 α)1/2 . Tale relazione implica che l’arco circumzenitale si verifica solo se l’altezza del sole sopra l’orizzonte è inferiore a 32,5 °, per elevazioni maggiori dei raggi solari vengono riflessi all’interno del cristallo. Il valore ottimale per la formazione di tale fenomeno è circa 22°.

                                                                                                                                                                                                                                        

      

Fig.2  Posizioni e angoli relativi al Sole e all’osservatore.
 

Fig.3  Posizione dell’arco circumzenitale in funzione dell’altezza del sole sopra l’orizzonte.
 Source: http://www.atoptics.co.uk/halo/czasalt.htm

 

Ed eccoci alla “notizia” : il 7 settembre 2014 un’appassionata di fotografia, la Sig.ra Stefania, residente a Milano, ci invia queste due spettacolari foto scattate alle 18.15 ad Ameno, grazioso paese collinare del Novarese, in Piemonte.

 

Fig.4  Arco circumzenitale 07/09/2014 Ameno (NO).

 

 

Fig.5  Arco circumzenitale 07/09/2014 Ameno (NO).

 

Fig.6.  Arco circumzenitale 07/09/2014 Ameno (NO). Le foto delle fig. 4-6 sono una gentile concessione della Sig.ra Stefania Cassiani di Milano.

 

Nel pomeriggio/sera della predetta giornata la signora Stefania osservava un cielo parzialmente velato, in virtù di cirri ed altocumuli che provenivano dai cumulonembi che si erano formati nel primo pomeriggio sulle Alpi Pennine. Difatti il cielo dell’alto Piemonte vedeva la formazione di cumulonembi che, al culmine della loro evoluzione, producevano la tipica attività elettrica associata a precipitazioni e che nella successiva fase di dissolvimento lasciava diversi strati di nubi medio-alte (altostrati e cirrostrati, come si evince dalle immagini satellitari che mostrano la presenza di nubi ad un’altezza di circa  5-6000 metri); a tale quota l’acqua presente nelle nubi si presentava sotto forma di cristalli di ghiaccio (temperatura dell’aria compresa tra i -5° ed i -10°C) e la rifrazione della luce solare, combinata con la particolare posizione delle nubi, ha dato origine al fenomeno dell’arco circumzenitale.

 

 Fig.7 07/09/2014 16.15 UTC Immagine MSG, canale HRV (High Resolution Visible). Si può osservare la presenza di nubi convettive a ridosso dei rilievi alpini e appennini.

 

 

Conclusioni

La presenza di una fotometeora come l’arco circumzenitale è alquanto rara, al contrario del classico arcobaleno, poiché le circostanze  che lo determinano sono più difficili da realizzare nell’area mediterranea. Si tratta di un fenomeno suggestivo, che dimostra come l’acqua in atmosfera sia la protagonista di quasi tutti i fenomeni meteorologici, compresi quelli di natura ottica.

Ringraziamo la Sig.ra Stefania, autrice delle belle foto, cui vanno i nostri complimenti per la curiosità meteorologica e l’abilità fotografica.

 

 

 

      

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