Tridentino di Scienze. Fisiche di Trento 23/05/2008. Marina Galetto. Scienze Fisiche, Università degli Studi

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1 2008 Esperimento Esperimento Albedo Albedo Massimo Massimo Bosetti Bosetti Referente Museo scientifico Tridentino di Scienze Museo Tridentino di Scienze Naturali, Naturali Laboratorio di Laboratorio di Comunicazione delle Comunicazione delle Scienze Scienze Fisiche, Università degli Studi Fisiche di Trento 23/05/2008 Marina Galetto Referente Servizi Educativi Museo Tridentino di Scienze Naturali

2 Analisi delle fotografie Foto analizzate Figura 1: il Parco Santa Chiara al naturale Figura 2: Il Parco Santa Chiara con i teli bianchi stesi 2

3 Dettagli delle foto da analizzare Dalle due foto scattate in occasione dell esperimento sull albedo sono stati tratti i due dettagli da analizzare. Per ottenere questi due particolari è stato utilizzato il software open source per la modifica di immagini Gimp. La prima immagine rappresenta la parte di parco senza i teli. Figura 3: particolare del prato senza teli Il secondo dettaglio è, invece, la medesima porzione di prato ma quasi completamente ricoperta dai teli bianchi srotolati dai ragazzi durante la fase di allestimento dell esperimento. Figura 4: particolare del parco con i teli srotolati I due dettagli di foto sono stati messi a confronto analizzandone la diversa luminosità. Prima di studiare e interpretare i dati ottenuti è necessario però dare qualche informazione tecnica generale sulle fotografie digitali. 3

4 Alcune informazioni tecniche sulle fotografie digitali L analisi della luminosità di una fotografia digitale viene fatta valutando quanto sono accesi i pixel 1 che la compongono (neri = spenti, bianchi = completamente accesi). Per valutare il grado di accensione dei pixel si possono utilizzare diversi programmi di manipolazione delle immagini digitali disponibili su internet oppure, con le macchine fotografiche digitali più moderne, selezionando un opzione direttamente sullo schermo della macchina. Ma come è possibile fare questa operazione? Nelle immagini digitali, ogni singolo pixel ha una sua specifica luminosità a cui viene attribuito un valore numerico da 0 a 255. Zero corrisponde al nero e 255 al bianco. Poiché i nostri occhi, in condizioni ideali, riescono a distinguere poco meno di 200 diversi livelli di grigio, i 256 toni disponibili in un immagine digitale sono più che sufficienti per rappresentare alla nostra vista anche le più sottili variazioni di tonalità. La luminosità inoltre non deve dipendere dai colori della foto, siano essi blu, verde o arancione; per eliminare il parametro colore, si converte allora l immagine considerata da foto a colori ad immagine in toni di grigio. Questa conversione trasforma i colori in tonalità di grigio differenti, rendendo possibile la misura della luminosità complessiva dell immagine. Per convertire l immagine in toni di grigio si può usare un programma per l elaborazione delle immagini, come ad esempio il software open source ImageJ. Questo programma, molto usato in campo scientifico, dalla medicina alla fisica, permette di eseguire il passaggio da immagine RGB (colorata) ad immagine a toni di grigio in maniera molto semplice 2 e, una volta effettuata la conversione, è possibile, con lo stesso programma, analizzare il profilo luminoso dei pixel dell immagine. Analisi dei valori ricavati dalle foto al Parco S. Chiara Le due immagini selezionate sono state quindi convertite in toni di grigio (bianco e nero) e successivamente ne sono stati ricavati i parametri di luminosità. Per elaborare le immagini e fare l analisi degli istogrammi è stato usato di nuovo il software open source ImageJ. 1 pixel è la contrazione della parola picture element e rappresenta il più piccolo dettaglio quadrato che compone un immagine. Un immagine con pochi pixel è poco definita mentre un immagine con molti pixel ha una migliore precisione del dettaglio. 2 Per convertire l immagine è sufficiente aprire l immagine e selezionare dal menù di ImageJ la voce: Image > Type > 8-bit 4

5 I grafici dei due profili luminosi che abbiamo ottenuto sono due istogrammi, ovvero rappresentazioni schematiche che mostrano la distribuzione dei pixel, in base alla loro luminosità, nelle due foto. Immaginiamo di avere 256 contenitori disposti in fila e numerati da 0 a 255. Esaminiamo tutti i pixel della prima foto e, uno ad uno, li mettiamo nel contenitore che corrisponde al suo valore di luminosità. Alla fine contiamo quanti pixel sono contenuti in ciascun contenitore e rappresentiamo questo numero con una linea nera verticale sopra al contenitore. Poi facciamo la stessa cosa per la seconda foto. Come si può notare dai due istogrammi, il risultato dei conteggi dei livelli di pixel accesi è sostanzialmente differente nelle due foto. Nel primo grafico risulta un picco importante centrato sul valore 113 (relativo a quel livello specifico di grigio) con un conteggio di pixel. Nella seconda immagine si vede una diminuzione di conteggi attorno ai valori del primo picco, che risulta allargato sulla sinistra, denotando la presenza di diversi toni di grigio scuro (imputabili alle ombre degli alberi vicini al telo); si nota inoltre un picco considerevole al livello 255, pari a di pixel accesi (relativo al bianco del telo). Il diverso modo in cui sono accesi i pixel nelle due foto, (tanti al livello 113 nella prima e moltissimi al livello 255 nella seconda) implica dei risultati diversi sul calcolo 5

6 dei valori medi (Mean) dei livelli accesi: per la prima immagine 110 (livello più scuro) e per la seconda 129 (livello più chiaro). Tale differenza indica il fatto che il prato tutto verde risulta complessivamente più scuro rispetto al prato con la parziale copertura bianca e che quindi, in media, la presenza del telo bianco ha aumentato il potere riflettente del parco nel suo complesso. Luminosità, riflessione della luce e Albedo della Terra La luce che colpisce le superfici viene in parte assorbita e in parte riflessa. Ma da cosa dipende il potere riflettente di una superficie? Essenzialmente da due parametri: il tipo di materiale e il colore della superficie. Materiali uguali ma di diverso colore riflettono la luce in modo differente, come accade anche per materiali diversi il cui colore ci appare simile. Vediamo alcuni esempi: Superficie Indice di riflessione Neve (caduta di fresco o con un film di ghiaccio in superficie) 0,75 Superfici acquose 0,07 Suolo (creta, marne) 0,14 Strade sterrate 0,04 Bosco di conifere d'inverno 0,07 Bosco in autunno / campi con raccolti maturi e piante 0,26 Asfalto invecchiato 0,1 Calcestruzzo invecchiato 0,22 Foglie morte 0,30 Erba secca 0,20 Erba verde 0,22 Tetti e terrazze in bitume 0,13 Pietrisco 0,20 Superfici scure di edifici (mattoni scuri, vernici scure) 0,27 Superfici chiare di edifici (mattoni chiari, vernici chiare) 0,60 Nella tabella si osserva che l indice di riflessione, o riflettanza 3, varia tra 0 e 1. Il valore 0 indica un materiale che assorbe tutta la luce, noto in fisica come corpo nero. Viceversa un corpo con indice di riflessione uguale a 1 indica che tutta la luce che arriva sulla sua superficie viene riflessa. Uno specchio, ad esempio, è una superficie che riflette quasi tutta la luce che lo colpisce raggiungendo valori di riflettanza prossimi ad 1. 3 La riflettanza indica, in ottica, la proporzione di luce incidente che una data superficie è in grado di riflettere. Essa è rappresentata dal rapporto tra l'intensità del flusso radiante trasmesso e l'intensità del flusso radiante incidente sulla superficie ed è una grandezza adimensionale. 6

7 Riflessione della luce e collegamento con la Terra e il suo clima Ricordiamo innanzitutto che l energia si conserva. La luce, come tutta la radiazione elettromagnetica, porta con sé dell energia, come possiamo facilmente scoprire quando siamo sotto il sole d estate o quando mettiamo una mano vicino ad una lampadina a incandescenza. Cosa accade all energia trasportata dalla luce riflessa da una superficie? Semplicemente se ne va via con la luce stessa. Viceversa, la parte di energia relativa alla luce non riflessa, viene assorbita dal corpo illuminato attraverso la sua superficie. Per una qualsiasi superficie quindi assorbire energia significa riscaldarsi, cosa che avviene anche alla superficie terrestre; di conseguenza, più un corpo riflette la luce meno si scalda. Ora siamo in grado si capire il concetto di albedo e il suo importante effetto sul clima. L'albedo (dal latino albēdo, "bianchezza", e album, "bianco") di una superficie è la frazione di luce o, più in generale, di radiazione incidente che viene riflessa. L albedo della Terra varia a seconda delle superfici considerate: la neve riflette circa il 75% della luce, il suolo mediamente il 14% e l acqua solo il 7%. Cosa accade se inizia a fondere una bianca superficie di ghiaccio? Inizialmente la superficie riflette il 75% della luce e quindi la parte di energia che viene assorbita e che contribuisce al riscaldamento diretto è solo il 25%. Se la superficie di ghiaccio viene sostituita dal suolo o da una massa d acqua, si modifica fortemente la capacità di riflettere la luce. Se rimanesse solo acqua, la luce riflessa sarebbe solo il 7% e quindi quella assorbita più del 90%. L aumento del potere di assorbimento porta al riscaldamento ulteriore della superficie e quindi ad una ancora più rapida fusione del ghiaccio. Questo processo interessa anche le calotte polari, artica e antartica, e i ghiacciai montani, ma con percentuali diverse di assorbimento. Quello che abbiamo appena descritto è un esempio del fenomeno noto come effetto retroattivo positivo. 7