Anno Internazionale della luce e delle tecnologie basate

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Anno Internazionale della luce e delle tecnologie basate sulla
luce
2015, un anno dedicato alla luce
Il 20 dicembre 2013 l'Assemblea Generale delle Nazioni Unite ha proclamato il 2015 Anno Internazionale della luce e
delle tecnologie basate sulla luce (IYL2015). Come l'acqua o il cibo, anche la luce è un bene di prima necessità. Senza
la luce non esisterebbe la vita così come la conosciamo. Tutto il mondo trae beneficio dai progressi della scienza della
luce e dalle sue applicazioni. La tecnologia basata sulla luce ha un ampio impatto in svariati settori, dalla medicina al
cibo, dalle comunicazioni e all'energia, e dunque possiede un'indubbia capacità di migliorare e rivoluzionare la qualità
della nostra vita.
IYL2015 è un’iniziativa globale che vuole mettere in primo piano l'importanza della luce e delle tecnologie ottiche nella
nostra vita, per il nostro futuro, e per il progresso della società. Questa iniziativa mira ad accrescere la conoscenza e la
consapevolezza di ciascuno di noi sull'essenzialità della luce come fonte di energia, motore nello sviluppo dell'istruzione,
nelle telecomunicazioni, nella salute e nell'agricoltura. Le tecnologie basate sulla luce, infatti, possono favorire uno
sviluppo sostenibile e fornire soluzioni alle sfide globali ad esempio nei campi dell’energia, delle comunicazioni e così
via. L'Anno Internazionale della luce, inoltre, rappresenta per l'Onu un contributo al raggiungimento degli obiettivi
dell'Unesco riguardanti il rafforzamento delle nuove tecnologie a supporto dello sviluppo sostenibile e dello sradicamento
della povertà.
Di seguito gli obiettivi che le Nazioni Unite si propongono di raggiungere con l’iniziativa dell’International Year of Light
2015:
•
Promuovere le tecnologie della luce per un miglioramento della qualità della vita sia nei paesi sviluppati sia in
quelli in via di sviluppo
•
Ridurre l’inquinamento luminoso e lo spreco di energia
•
Promuovere la partecipazione delle donne nella scienza con ruoli di responsabilità
•
Promuovere l’istruzione tra i giovani
•
Promuovere lo sviluppo sostenibile
I temi ufficiali dell’IYL2015 sono:
•
La Scienza della Luce
•
La Tecnologia della Luce
•
La Luce in Natura
•
La Luce e la Cultura
Un anno di anniversari e ricorrenze per la luce
Secondo l'Onu non poteva esserci un anno migliore del 2015 per questa celebrazione. Nel 2015, infatti, cadono alcune
importanti ricorrenze nella storia dello studio della luce. Nel 1015 Ibn Al-Haytham scrisse il suo libro di “Ottica” e per
primo descrisse il funzionamento della camera oscura, studiò la struttura dell’occhio e i meccanismi della visione. Nel
1815 Augustin Jean Fresnel pubblicò “Premier mémoire sur la diffraction de la lumière”, che introduceva la teoria
ondulatoria della luce. Nel 1865 James Clerk Maxwell pubblicò “A dynamical theory of electromagnetic field”, in cui
mostrò che la luce è un’onda elettromagnetica. Nel 1915, la teoria della relatività generale sviluppata da Albert Einstein
dimostrò che il campo gravitazionale ha effetti importanti sulla luce e previde che i raggi di luce provenienti da una stella
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vengono deviati quando sfiorano il Sole, in quanto il tessuto dello spazio-tempo è incurvato dalla massa solare. Nel 1965
Arno Penzias e Robert Wilson scoprirono la “radiazione cosmica di fondo”, lontana eco del Big Bang. Sempre nel 1965
Charles Kao, ricercatore della Standard Telecommunication Laboratory (colosso inglese nella produzione di cavi
telefonici), intuì che l’attenuazione della fibra ottica (brevettata nel 1956) era causata dalle impurità presenti nel vetro e
dimostrò che si poteva sviluppare una fibra ottica in vetro altamente puro da trasportare l’energia luminosa anche su
lunghe distanze. Quell’intuizione ha dato il via all’era delle telecomunicazioni e di Internet.
Quindi quale anno migliore del 2015 poteva essere scelto per celebrare la luce e tutte le importanti scoperte che ci
hanno portato fino ad oggi?
Big Bang…e luce fu!
Quando è nata la luce? Per rispondere a questa domanda bisogna tornare all’epoca della formazione dell’universo, e
quindi al Big Bang. Pochi istanti dopo il Big Bang, circa 14 miliardi di anni fa, l’universo si trovava in una fase di
rapidissima espansione. In quella fase il Cosmo era incredibilmente denso e caldo, tanto che la luce non era in grado di
propagarsi al suo interno. Si parla di Universo opaco alla luce, poiché quest’ultima subiva continui urti e interazioni con le
altre particelle (la materia), in particolar modo con gli elettroni che all’epoca vagavano liberi. L’espansione dell’Universo
portò a un graduale abbassamento della temperatura, fino a una temperatura inferiore ai 4000 gradi Kelvin, in cui si
verificò la definitiva rottura tra materia e radiazione. A partire da questo momento, definito disaccoppiamento radiazione
e materia, la luce è stata libera di muoversi nell’immenso Universo, diventato trasparente alla radiazione luminosa. I
fotoni erano in grado di muoversi indisturbati. Questa è la luce che noi chiamiamo Radiazione Cosmica di Fondo. Non
rappresenta quindi la luce prodotta nel Big Bang, ma quello che avvenne circa 380.000 anni dopo. Ecco spiegato il
motivo per cui non è possibile osservare direttamente i primi istanti dell’Universo!
La luce in natura
I tramonti, gli arcobaleni, le sfumature che passano dal blu al verde del mare e l’immensa gamma di colori di piante e
animali…sono solo alcuni esempi della ricca varietà di fenomeni ottici in natura. Le nostre prime esperienze di luce e
colore sono attraverso quello che vediamo nel mondo naturale, la meraviglia e la bellezza dell'ottica naturale è ovunque.
Vediamo alcuni esempi di fenomeni naturali che esistono grazie alla luce…
Fotosintesi clorofilliana
“La vita è aria intessuta con la luce”- Jacob Maleschott
Il processo che converte l'energia della radiazione solare in energia chimica a partire da anidride carbonica e acqua si
chiama fotosintesi clorofilliana. Grazie al processo di fotosintesi, le piante verdi sintetizzano da sole le sostante
organiche (carboidrati) necessarie per la loro sopravvivenza. Sono pertanto detti organismi autotrofi. Tutti gli altri
organismi che non sono in grado di portare a termine il processo di fotosintesi, come gli animali e l’uomo, sono detti
organismi eterotrofi. Gli organismi eterotrofi possono sintetizzare le molecole di cui è costituito il loro corpo solo a partire
dalle molecole organiche contenute negli alimenti (vegetali o animali). Le specie vegetali rappresentano, pertanto, un
elemento fondamentale per l’equilibrio naturale e per la vita di altre specie viventi. Un processo apparentemente
semplice, la fotosintesi è in realtà molto complessa ed è la base da cui proviene tutto il nostro cibo e molte importanti
risorse che utilizziamo, come i combustibili fossili. Basti pensare che il 97% della biomassa è rappresentato dai vegetali,
in grado di sostenere il restante 3%, costituito dai restanti esseri viventi, esseri umani inclusi.
Albe e tramonti
All’alba e al tramonto la radiazione solare arriva al suolo con un angolo di incidenza molto basso, per cui i raggi solari
devono attraversare uno spesso strato di atmosfera, in particolare i suoi strati più bassi, quelli più ricchi di pulviscolo e di
umidità: questi diffondono in maggior quantità le radiazioni di lunghezze d’onda più lunga, e quindi il cielo ci appare di
colore rosso o arancione. Tanto maggiore è la quantità di pulviscolo atmosferico, tanto più “colorati” risulteranno i
tramonti e le albe.
Arcobaleno
L’arcobaleno è un fenomeno che ha sempre affascinato l’uomo, da una parte perchè segna, in genere, la prossima fine
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di un temporale, dall’altra per lo spettacolo offerto dai suoi colori. Sugli arcobaleni sono fioriti miti e leggende: per i greci
era la manifestazione visibile della messaggera degli dei, secondo le leggende nordiche alla fine dell’arcobaleno è
sepolta una pentola magica contenente un favoloso tesoro.
In realtà, si tratta di un semplice fenomeno ottico, dovuto alla rifrazione che la luce bianca subisce attraversando le
gocce d’acqua: analogamente alla luce che attraversa un prisma, la luce solare che attraversa una goccia d’acqua viene
rifratta e scomposta nelle diverse lunghezze d’onda che la compongono. Diversamente da un prisma, attraverso il quale
riusciamo a vedere contemporaneamente tutte le lunghezze d’onda dello spettro visibile, noi possiamo vedere un solo
colore, una sola lunghezza d’onda per ogni goccia, a seconda dell’altezza rispetto a noi e dall’angolo con cui la luce
rifratta dalla goccia colpisce il nostro occhio. La luce solare che colpisce contemporaneamente milioni di microscopiche
gocce d’acqua subisce quindi rifrazione attraverso ciascuna di esse (in realtà, la luce subisce una doppia rifrazione,
entrando nella goccia e uscendone). Il risultato è che noi vediamo disegnarsi nel cielo una serie di archi concentrici a
bande di colori diversi. I colori sono quelli che derivano dalla scomposizione dello spettro visibile nelle diverse lunghezze
d’onda e si presentano sempre con un ordine ben preciso (in funzione della lunghezza d’onda) dal violetto, nell’arco più
interno, al blu, al verde, al giallo, all’arancione fino al rosso nell’arco più esterno.
Aurore
Il Sole emette nello spazio un flusso di particelle dotate di carica, che possono essere attratte dai poli magnetici terrestri.
Queste particelle cariche interagiscono con le molecole presenti nell’alta atmosfera della Terra, dando vita al
meraviglioso spettacolo dell’aurora. Quelle che si osservano al Polo nord vengono chiamate aurore boreali, mentre
quelle visibili verso il Polo sud aurore australi.
Tramonto, arcobaleno, aurora polare…le molteplici facce della luce in natura.
Dopo l’elettronica, la fotonica
Per l’UNESCO il 2015 segna simbolicamente un cambio di epoca: il passaggio dall’era dell’elettronica a quella fotonica,
cioè da tecnologie che utilizzano gli elettroni a tecnologie che utilizzano i fotoni, ovvero la luce. Tutti usiamo dispositivi
fotonici: la fibra ottica che ci permette di navigare velocemente in internet, la macchina fotografica e la telecamera che
utilizziamo per catturare immagini del mondo, i pannelli fotovoltaici che portano energia nelle nostre case, i lettori CD con
cui ascoltiamo la nostra musica preferita rappresentano solo alcuni esempi di fotonica. Ma che cos’è la fotonica? E’ una
branca dell’ottica che studia i metodi di controllo della propagazione dei fotoni che compongono la luce. Il termine
fotonica è stato coniato nei Laboratori Bell (Stati Uniti) a seguito dell'invenzione del laser nel 1960, in analogia con il
termine elettronica, per descrivere tutte le potenziali applicazioni legate alla trasmissione dell'informazione da parte di
questa nuova sorgente di radiazione, in alternativa ai dispositivi (per es. i transistor) che fanno uso di correnti elettriche
e, quindi, di elettroni. In seguito all’aumentare delle applicazioni che scaturivano da questa nuova sorgente di fotoni, il
termine fotonica ha rapidamente ampliato il suo significato per includere sia la disciplina scientifica che studia la
generazione stessa di radiazione sia il ventaglio di applicazioni, sempre più ampio e diversificato, che utilizzano sorgenti
laser.
Oggi la fotonica è dappertutto: nell’elettronica di consumo (scanner di codici a barre, apparecchi per DVD, controllo TV
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remoto,…), nelle telecomunicazioni (Internet), in medicina (chirurgia oculare, strumenti di uso medico,…), nell’industria
manifatturiera (laser per tagliare e forgiare i materiali,…), negli apparati di difesa e sicurezza (camere fotografiche
mo
sensibili a luce infrarossa, monitoraggio a distanza,…), nell’intrattenimento (olografia, luci laser,…), ecc. Per il 21
mo
secolo la fotonica sarà ancor più importante di quanto non lo sia stato l’elettronica per il 20 secolo. La fotonica
rappresenta oggi l'elemento trainante per l'innovazione tecnologica, è la scienza del futuro.
Accecati dalla luce!
Illuminare la notte a giorno fino a farla quasi scomparire è una bella conquista in termini di progresso e tecnologia, ma
quali sono i reali effetti della scomparsa del buio? Quando l’uomo altera i livelli di luce naturalmente presenti
nell'ambiente notturno si parla di inquinamento luminoso. In altre parole si tratta di un inquinamento della luce naturale
prodotto dalla luce artificiale.
Crediti: Nasa
Come si può osservare da questa famosa immagine della Nasa, che immortala la nostra Terra vista di notte dallo spazio,
l’inquinamento luminoso è un problema che riguarda le zone più densamente abitate e quelle più sviluppate dal punto di
vista industriale e che provoca danni di diversa natura: ambientali, culturali ed economici. I primi a segnalare questo
problema sono stati proprio gli astronomi e gli astrofili, infatti, l’inquinamento luminoso costituisce un grosso ostacolo allo
studio del cielo. Nel 1958 in America è stata emanata la prima legge per la protezione del cielo stellato al fine di
proteggere un importante osservatorio in Arizona. Il problema è in continua crescita, a causa dell’aumento della
popolazione e delle aree urbane, tanto che gli astronomi si sono dovuti ritirare in zone deserte per poter continuare a
studiare il cielo.
Un altro aspetto importantissimo legato all’inquinamento luminoso è lo spreco energetico. La causa principale
dell’inquinamento luminoso, infatti, sono i lampioni che disperdono luce e possono arrivare a sprecare oltre il 50%
dell’energia che consumano. Molti lampioni utilizzati per illuminare strade e città sono inefficienti perché non impiegano
correttamente la luce per illuminare a terra e consentire la visione notturna. La restante luce non funzionale alla visibilità
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notturna viene sprecata perché va direttamente verso il cielo oppure diventa luce “intrusiva”, che disturba uomini, piante
e animali notturni. Lungi dall’essere solo un problema di astronomi e amanti del cielo, infatti, l’inquinamento luminoso
provoca numerosi danni ambientali come difficoltà o perdita di orientamento negli animali (uccelli migratori, tartarughe
marine, falene notturne); alterazione del fotoperiodo in alcune piante; alterazione dei ritmi circadiani nelle piante, animali
e uomo (ad esempio la produzione della melatonina viene bloccata già con bassissimi livelli di luce); distruzione
dell’habitat (notturno) di molte specie di animali (pipistrelli, insetti, rettili).
Come si diffonde l’inquinamento luminoso? L’inquinamento luminoso si diffonde dalla sorgente luminosa per la presenza
dell’atmosfera. Inoltre, più lo strato di atmosfera che la luce attraversa è spesso e opaco, maggiore è la diffusione.
L’atmosfera ha sulla luce dei lampioni lo stesso effetto che ha su quella del Sole: la diffonde impedendoci di vedere le
stelle. Infatti, se non ci fosse l’atmosfera, vedremmo di giorno lo stesso cielo stellato che vediamo di notte.
I cinque criteri per una corretta illuminazione
L’inquinamento luminoso ha tanti effetti negativi e nessun lato positivo, se non la possibilità per gli astronauti di vedere la
Terra brillare dallo spazio! Esistono però 5 criteri fondamentali per una corretta illuminazione, che possono essere
applicati per ridurre l’inquinamento luminoso e i problemi da esso causati.
1° CRITERIO: Come Illuminare - Controllo del flusso luminoso diretto. Il metodo più semplice per ridurre l’inquinamento
luminoso è quello di usare lampioni schermati. La lampada è completamente contenuta nel corpo illuminante, la luce non
viene dispersa ma convogliata solo dove serve. Lampioni del genere si dicono “full cut-off”.
Lampade conformi (in alto) e non conformi (in basso) al 1° criterio.
Fonte: http://cielobuio.org/index.php?option=com_content&view=article&id=1050&Itemid=40
2° CRITERIO: Quanto Illuminare - Controllo del flusso luminoso indiretto. Il secondo passo per eliminare gli sprechi è
dosare la quantità di luce per l’illuminazione. E’ necessario dosare la potenza delle lampade in maniera ottimale,
limitando l’inquinamento luminoso. Certamente, non sarà mai possibile azzerare la quantità di luce che viene dispersa,
perché, per poter vedere di notte, una certa quantità di radiazione luminosa dovrà per forza “rimbalzare” verso l’alto.
3° CRITERIO: Cosa utilizzare - Sorgenti luminose ad elevata efficienza. Per ridurre gli sprechi energetici è necessario
utilizzare sorgenti luminose moderne ed efficienti. Esiste un parametro che, a parità di energia elettrica consumata,
indica quanta luce viene emessa dalla sorgente. A parità di energia elettrica consumata, si preferiscono le
sorgenti che emettono più luce.
4° CRITERIO: Ottimizzazione degli impianti d'illuminazione. Bisognerà poi valutare il numero di lampioni da installare,
ottimizzando la distanza tra i pali e la loro altezza. Il rapporto minimo da mantenere per quasi tutte le leggi regionali
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italiane è 3,7: quindi ad esempio lampioni alti 10 m devono essere installati almeno ad una distanza di 37 m l’uno
dall’altro.
5° CRITERIO: Gestione della luce. L’ultimo aspetto che si inserisce per risparmiare energia e ridurre l’inquinamento
luminoso è quello di una corretta gestione dell’illuminazione. Molto spesso capita di vedere strade deserte di notte o vie
ciclabili illuminate a giorno, a qualsiasi ora della notte. E’ oggi possibile ridurre l’illuminazione dopo una certa ora della
notte, riuscendo comunque a garantire la sicurezza delle strade. La regolazione dell’illuminazione può essere eseguita in
automatico con dispositivi programmabili (riduttori di flusso). In questo modo l’illuminazione di strade intensamente
trafficate nelle prime ore della sera, che quindi necessitano di forte illuminazione, può essere ridotta con l’avanzare della
notte.
A cura di Benedetta Palazzo