infrarósso
Indice
Lessico
agg. e sm. [sec. XX; infra-+rosso]. Radiazione elettromagnetica di lunghezza d'onda compresa tra 0,75 μm e 1 mm; è suddivisa convenzionalmente in vicino (0,75÷3 μm), medio (3÷6 μm), lontano (6÷15 μm) e estremo (15÷1000 μm).
Fisica
I raggi infrarossi, invisibili all'occhio umano, vengono emessi da tutti i corpi, a qualunque temperatura, con emissione che aumenta con la temperatura: si tratta quindi di energia raggiante; hanno inoltre la proprietà caratteristica di produrre notevole sviluppo di calore quando vengono assorbti dai corpi. Le radiazioni infrarosse sono diffuse dalla nebbia, dallo smog, dalle molecole gassose e sono selettivamente assorbite da molti gas presenti nell'atmosfera, quali l'ozono, l'anidride carbonica e dal vapor d'acqua, in misura trascurabile dall'ossigeno e dall'azoto. Poiché le radiazioni infrarosse sono della stessa natura della luce, la formazione delle immagini è alterata dai fenomeni di diffrazione e dall'aberrazione; inoltre anche per esse possono essere impiegati sistemi ottici uguali a quelli per le radiazioni visibili: lenti, specchi, prismi, talora reticoli di diffrazione. Per il rilevamento delle radiazioni infrarosse vengono usati diversi dispositivi e apparecchi: i ricevitori o rivelatori sono trasduttori che convertono l'energia raggiante in corrente o tensione elettrica, sfruttando la variazione di talune proprietà fisiche del rivelatore, o la proprietà della radiazione di impressionare pellicole fotografiche. I rivelatori termici sfruttano la variazione di proprietà fisiche del rivelatore dovuta al riscaldamento prodotto dalla radiazione; sono tali i bolometri, le termocoppie bismuto-argento o rame-costantana, le termopile (successione di più termocoppie a giunti termoelettrici in serie). I rivelatori detti a effetto fotoelettrico, di maggior sensibilità, possono essere cellule fotoelettroniche, fotomoltiplicatori, cellule fotovoltaiche, elementi fotoluminescenti, ossia basati su un cristallo semiconduttore fotoluminescente, sul quale la radiazione, secondo il materiale, può avere sia l'effetto di stimolare l'emissione luminosa, con conseguente immagine brillante della sorgente su fondo scuro, sia di accelerarne il decadimento, con conseguente immagine scura della sorgente su fondo chiaro. I raggi infrarossi sono prodotti in natura da molte sorgenti, tra le quali anche gli animali a sangue caldo; nella tecnica vengono ottenuti mediante lampade dette appunto a raggi infrarossi, costituite da una resistenza elettrica alla temperatura di ca. 600 ºC, e munita di specchio parabolico di riflessione. Industrialmente i raggi infrarossi sono usati per riscaldare corpi che permettono una buona penetrazione del calore all'interno, per esempio per essiccare superfici verniciate, o anche per riscaldare ambienti all'aperto. Altre importanti applicazioni riguardano le misure di temperatura a distanza in processi chimici e metallurgici, i rilievi di inquinamento atmosferico o di turbolenza dell'aria, l'analisi di gas, gli avvisatori di incendio, i rilievi di mappe termiche, la sorveglianza industriale con esame di pellicole fotografiche durante la fabbricazione. Nel campo scientifico, le applicazioni più interessanti riguardano la localizzazione di satelliti, i dispositivi per l'orientazione di strumenti a pile solari, la misurazione di temperature della Luna, di pianeti o di satelliti, la misurazione della radiazione solare riflessa, la localizzazione di fronti temporaleschi, la visualizzazione della temperatura di superfici terrestri o marine o di correnti oceaniche, la ricerca di giacimenti petroliferi, la misura di spessori di film epitassiali, la determinazione della composizione di sostanze organiche. L'osservazione dell'Universo nell'infrarosso costituisce un'intera branca dell'astronomia, l'astronomia dell'infrarosso (vedi oltre). § Nel campo militare le applicazioni più importanti riguardano la localizzazione di aerei, navi, sottomarini, missili e veicoli terrestri, la sorveglianza di obiettivi militari, i dispositivi di guida notturna. § Nel campo fotografico sono talvolta utilizzate emulsioni sensibili ai raggi infrarossi per eseguire fotografie anche con foschia approfittando della proprietà dei raggi infrarossi, emessi dal soggetto da fotografare, di attraversare quasi indisturbati foschie e persino nebbie. § Le applicazioni mediche riguardano, nel campo della diagnosi, la misurazione a distanza della temperatura della pelle e della zona sottostante (termogrammi), con possibilità di rivelare processi infiammatori, o infettivi, o tumorali; la determinazione del tenore di anidride carbonica presente nel sangue; la misurazione di dimensioni oculari e controlli di movimenti oculari; la rivelazione di ostacoli per ciechi. Nel campo terapeutico viene sfruttato l'effetto termico delle radiazioni infrarosse con conseguente vasodilatazione, accelerazione degli scambi metabolici e altri effetti sul sistema nervoso periferico.
Chimica: analisi con spettrografia all’infrarosso
Le molecole dei composti chimici assorbono selettivamente le radiazioni infrarosse di determinate lunghezze d'onda. Facendo quindi attraversare un campione del composto in esame successivamente da radiazioni infrarosse delle diverse lunghezze d'onda e registrando su un grafico in quale misura ciascuna di esse viene assorbita, si ottiene un tracciato che prende il nome di spettro di assorbimento . Gli spettri di assorbimento infrarosso si dicono di vibrazione e rotazione, perché le radiazioni infrarosse convogliano quantità di energia capaci di provocare nelle molecole dei moti di vibrazione degli atomi o dei moti rotatori di un atomo o di un gruppo di atomi intorno all'asse che lo lega a un altro atomo. Le vibrazioni possono prodursi nel senso di variare temporaneamente sia le distanze tra due atomi tra loro legati, sia l'angolo che due atomi formano con un terzo atomo al quale sono ambedue legati. Gli spettri nell'ultravioletto o nel visibile sono generalmente molto semplici perché dovuti a vibrazioni corrispondenti agli elettroni dei doppi e tripli legami. Gli spettri nell'infrarosso sono originati anche da legami semplici; di conseguenza qualsiasi molecola organica presenta uno spettro nell'infrarosso molto più complesso con un numero notevole di bande di assorbimento. Per queste sue caratteristiche lo spettro di assorbimento infrarosso può rapidamente fornire una serie di informazioni sugli elementi strutturali presenti in una molecola di struttura incognita; inoltre, proprio a causa della sua complicazione, costituisce una proprietà assolutamente tipica della molecola di un composto: mentre cioè due molecole anche assai diverse possono presentare varie proprietà fisiche e anche uno spettro di assorbimento ultravioletto in pratica identico, non esistono due composti che presentino uguale spettro di assorbimento nell'infrarosso. Questo può quindi essere utile per accertare l'identità di un composto del quale sia disponibile una quantità anche dell'ordine di pochi milligrammi confrontandone lo spettro con quelli già noti. Gli spettri di assorbimento infrarosso possono venire rilevati su sostanze sia allo stato solido, sia allo stato liquido o di soluzione, oppure anche su sostanze gassose.
Astronomia dell’infrarosso
La nascita dell'astronomia dell'infrarosso venne abbastanza dopo la scoperta delle radiazioni infrarosse, a opera di W. Herschel che si accorse che la regione spettrale del Sole situata oltre il rosso è sede di radiazioni termiche. Le ragioni del ritardo sono legate alle caratteristiche chimico-fisiche della stessa radiazione infrarossa. Infatti da una parte la radiazione infrarossa, proveniente dalle sorgenti celesti, viene di norma assorbita dal vapore acqueo e dall'anidride carbonica dell'atmosfera terrestre, dall'altra la componente termica, emanata dalla stessa strumentazione, produce forti disturbi sul segnale infrarosso da rivelare. Solo in tempi relativamente recenti, lo sviluppo di adeguate tecniche di raffreddamento e la produzione di materiali sensibili all'infrarosso (cellule al solfuro di piombo, parti ottiche al germanio, materiale fotografico speciale), unitamente alla realizzazione di sofisticati apparati elettronici di analisi, hanno consentito l'avvio e il progresso di un campo di ricerca, rivelatosi in breve tempo assai fertile, grazie anche alle missioni spaziali effettuate con diverse sonde attrezzate con telescopi e strumentazione per l'infrarosso. Nella tecnologia astronomica le bande dell'infrarosso si distinguono in termico o fotografico (fino a 1,1 µm di lunghezza d'onda, regione ove sono ancora possibili tecniche di rilevamento analoghe a quelle in adozione nel visibile), vicino (fino a 4 µm), intermedio (fino a 40 µm), estremo (fino a 1 mm; praticamente in contiguità con le radiofrequenze millimetriche). Le sorgenti che interessano l'astronomia nell'infrarosso sono caratterizzate dalla modesta temperatura intrinseca e riguardano perciò principalmente la materia fredda (gas e polveri) che si trova diffusa nella Galassia, soprattutto attorno al suo centro dinamico. La materia fredda galattica si articola in vaste formazioni molecolari, dando luogo a quelle nubi interstellari dalle quali sovente viene riemessa, per dissipazione termica, la radiazione incidente dalle stelle circostanti o dalle giovani associazioni di astri in via di condensazione nel loro interno. Sorgenti tipiche nell'infrarosso sono poi quasi tutte le stelle variabili a lungo periodo (giganti rosse del tipo Mira Ceti) e le regioni di formazione stellare, la cui osservazione nell'ottico è particolarmente ostacolata dall'assorbimento dovuto alla presenza delle nubi protostellari stesse. Altre sorgenti infrarosse sono le cosiddette stelle nere e nane brune, corpi celesti troppo piccoli per poter riuscire a irradiare altro che radiazione termica, ovvero troppo inoltrati in età per emettere ancora luce visibile. Altro campo di applicazione per l'astronomia dell'infrarosso è la ricerca dei sistemi planetari extrasolari, già formati o in gestazione, che possono venire individuati da quell'eccesso di componente termica, diffusa o concentrata, che si manifesta per esempio in alcune stelle a noi prossime. Nell'infrarosso vicino l'aspetto del cielo non appare molto diverso dal consueto, salvo per il fatto che le stelle rosse (tipo Betelgeuse, Antares) appaiono più luminose di quelle bianco-blu (tipo Rigel). Spostandosi nell'infrarosso intermedio, la luce diffusa di origine atmosferica si estingue, sì che le sorgenti celesti ora visibili – gli ammassi di polveri diffuse ove “nidificano” le stelle, e ove sono immersi astri giovanissimi agenti da eccitatori termici – diventano rilevabili anche in presenza del Sole. A lunghezze d'onda maggiori nell'immagine del firmamento prevalgono le nubi molecolari (alla temperatura di poche decine di kelvin). Queste nascondono la visione diretta già oltre i 2-3 mila anni luce di distanza dal Sole, ma la loro emissione nell'infrarosso è segno del verificarsi di un impressionante complesso di fenomenologie violente: vortici di materia affluente in centri gravitazionali intensi, tipo bulbi galattici, stelle neutroniche, buchi neri; venti corpuscolari proiettati da stelle in fase di gigantismo; dispersione di materia nei meccanismi di fagocitamento reciproco che si stabiliscono entro addensamenti straordinari di astri; e così via.
Astronomia dell'infrarosso dalla Terra
I primordi dell'indagine astronomica nell'infrarosso possono farsi risalire a S.P. Langley (1881) con l'invenzione del bolometro. Nel 1922 miglioramenti decisivi vennero introdotti dall'uso, dovuto a E. Pettit e S.B. Nicholson, della termocoppia. Negli anni Quaranta, G.P. Kuiper adottò cellule al solfuro di piombo per i rivelatori da inviare ad alta quota, a bordo di palloni; rivelatori dei quali G. Neugebauer e B. Leighton, dieci anni dopo, miglioravano le prestazioni con il raffreddamento, riuscendo a compilare un primo catalogo di 5612 sorgenti (il Two Micron Survey). I moderni sensori, raffreddati con azoto e con elio liquido a pochi kelvin, si mostrano diecimila volte più sensibili dei loro progenitori, e sono in grado di lavorare fin oltre i 20 µm. Montati su razzi, su palloni e su aerei (per esempio il KAO, Kuiper Airborne Observatory, un velivolo dotato di un telescopio da 90 cm di apertura), nel corso degli anni Settanta avevano già consentito la scansione di ca. i nove decimi della volta celeste. In questa fase tecnologica, non va dimenticato il TIRGO, telescopio di progettazione italiana installato sulla cima del Gornergrat, in territorio elvetico. La consapevolezza dell'importanza rivestita dall'astronomia infrarossa ha assunto alla fine del sec. XX e all'inizio del sec. XXI connotazioni così generali e incondizionate che la comunità scientifica si è prodigata nel realizzare e proporre nuove e sempre più sofisticate progettazioni. Per l'indagine al suolo, va ricordata l'installazione sul Mauna Kea – a oltre 4000 m di altezza – di 4 potenti strutture: il telescopio inglese UKIRT con specchio da 3,8 m; il telescopio IRTF, con specchio da 3 m, della NASA; i due KECK gemelli, con specchi multipli per un'apertura di 10 m. Da parte sua, la NASA ha realizzato, in sostituzione dell'osservatorio aerotrasportato Kuiper, un impianto osservativo aereo di seconda generazione, il SOFIA (Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy), per esplorare il cielo sull'intera gamma delle frequenze infrarosse grazie al suo occhio gigante di 2,5 m e alla disponibilità di un vasto apparato di ricettori.
Astronomia nell'infrarosso dallo spazio
L'IRAS(InfraRed Astronomy Satellite) è stato il primo osservatorio orbitante per l'infrarosso celeste nel quale abbia trovato soluzione gran parte dei gravi problemi tecnologici che si opponevano a un'indagine sistematica dallo spazio. Simile a un criostato gigante orbitante a 900 km di quota, IRAS – con il suo obiettivo da 60 cm – alla fine degli anni Ottanta ha prodotto una mappa contenente 300.000 sorgenti delle diverse tipologie, fra le quali si contano galassie migliaia di volte più luminose della Via Lattea, ma irradianti esclusivamente nell'infrarosso. Ha rivelato la presenza di dischi protoplanetari intorno a numerose stelle (β Pictoris, Vega) e quella di formazioni cirriformi disperse nell'intero spazio galattico. Successivamente, è stata la volta di COBE (Cosmic Background Explorer), sonda cosmologica, a indagare nell'infrarosso la radiazione fossile onde coglierne le disomogeneità termiche connesse ai primitivi centri genetici dell'Universo (protogalassie e prime generazioni di stelle). Nell'indagine, la sonda ha anche fornito una visione generale delle polveri che si addensano nel disco e nel bulbo della nostra Galassia, migliorandone in tal modo le conoscenze sui meccanismi evolutivi. Altrettanto e forse più importante di IRAS è stato l'osservatorio orbitante per l'infrarosso dell'Agenzia Spaziale Europea (ESA), cioè ISO, (Infrared Space Observatory) con ottica da 60 cm, che ha lavorato nello spazio dal 17 novembre 1996 all'8 aprile 1998. Nel 2003, la NASA ha completato il complesso dei 4 grandi osservatori spaziali del suo programma scientifico con l'osservatorio per l'infrarosso SIRTF (Space InfraRed Telescope Facility, ribattezzato Spitzer Space Telescope dopo il lancio), dotato di uno specchio da 90 cm e di uno spettrografo, refrigerati con elio liquido. Da parte europea, sempre nel campo dell'astronomia spaziale nell'infrarosso, l'Agenzia Spaziale Europea ha definito i progetti per l'analogo dello Spitzer Space Telescope, cioè per FIRST (già ribattezzato Herschel), che opererà nell'infrarosso lontano e sarà messo in orbita nel 2007. Grazie alle loro straordinarie doti di sensibilità e di risoluzione spaziale, con questi osservatori spaziali per l'infrarosso gli astronomi si ripromettono di osservarei sorgenti infrarosse celesti mille volte più deboli di quelle finora note, e di giungere a scoprire la componente invisibile – stelle morte, nane brune, serbatoi cometari, corpi planetari extra solari, aloni intergalattici ecc. – che potrebbe costituire parte non trascurabile della cosiddetta materia oscura.