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radiazióne¹

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Lessico

sf. [sec. XVI; dal latino radiatĭo-ōnis, da radiāre, radiare1].

1) Emissione e propagazione di energia sotto forma di onda o di particelle elementari; in particolare il termine indica le radiazioni elettromagnetiche ed è spesso usato quale sinonimo di raggio. Si parla di radiazioni anche nel caso di sola emissione di energia, cioè di irraggiamento o irradiazione; di dipoloelettrico oscillante, quelle che si riferiscono a un particolare meccanismo di produzione della radiazione stessa. Con riferimento ad accezioni specifiche relative a fenomeni più particolari: radiazione Čerenkov; radiazione di frenamento; radiazione cosmica (vedi raggio). In astronomia, per la radiazione emessa dalle stelle e dal Sole, vedi stella, Sole. Per la cosmica di fondo, vedi oltre in astronomia. Inoltre: A) in fisica e in astronomia, di sincrotrone, radiazione emessa da particelle cariche di alta energia che si muovono in un campo magnetico; il nome deriva dal fatto che tale radiazione è stata osservata per la prima volta nell'accelerazione di particelle in sincrotroni. La radiazione di sincrotrone , largamente osservata in fenomeni astronomici altamente energetici, è oggi utilizzata per scopi scientifici, industriali e medici in sincrotroni riadattati o appositamente progettati. . B) diffusa, quella dovuta a fenomeni di diffusione; in proposito sono importanti i processi di diffusione Thomson e di diffusione Compton in cui l'emissione avviene rispettivamente per effetto Thomson ed effetto Compton. C) Nelle telecomunicazioni, emissione di radioonde provocata dal passaggio di corrente ad alta frequenza in uno o più conduttori appositamente previsti e disposti nello spazio, che sono detti elementi o dipoli radianti. Se questi conduttori irradiano in misura eguale in ogni direzione, si ha una radiazione omnidirezionale, diversamente la radiazione viene detta direzionale. Le caratteristiche di irradiazione di un sistema radiante vengono rappresentate con grafici a presentazione polare detti appunto diagrammi di radiazione: uno è di solito riferito alle radiazioni nel piano verticale e l'altro a quelle nel piano orizzontale. L'uso combinato dei diagrammi di radiazione orizzontale e verticale permette di individuare le caratteristiche di irraggiamento in tre dimensioni rappresentato con il cosiddetto solido di . § Si definisce potere frenante di una , o anche, talvolta, potere di assorbimento, riferito a una particella carica di energia E, l'energia perduta per unità di percorso in un determinato mezzo assorbente; se dE è l'energia perduta nel percorso dl, il potere frenante è dE /dl. § S'intende per pressione di la pressione esercitata da onde elettromagnetiche sugli oggetti che le intercettano. Il fatto che onde elettromagnetiche trasportino energia è esperienza comune; ne sono esempi immediati le mani scaldate dal fuoco di un camino e l'energia che la Terra riceve dal Sole. Meno familiare è invece il fatto che la radiazione elettromagnetica trasporti anche quantità di moto e quindi sia in grado di esercitare pressione sugli ostacoli che incontra. L'effetto fu predetto teoricamente da Maxwell intorno al 1870, ma le prime misure della pressione di radiazione avvennero ca. 30 anni dopo (1901-03) e furono eseguite da Nichols e Hull, in America, e da P.N. Lebedev in Russia. Nichols e Hull, nel 1903, usarono la tecnica della bilancia di torsione: essi inviarono un fascio di luce ordinaria, avente un flusso di energia noto, su uno specchio solidale con il filo della bilancia di torsione; la pressione della radiazione provocò una rotazione θ della bilancia, torcendo il filo. Nota la calibrazione del filo, ottennero il valore numerico di questa pressione. D) gravitazionale, dissipazione energetica, prevista dalla teoria della relatività generale, da parte di masse di rango celeste poste in accelerazione. Dal punto di vista quanto-indeterministico, la radiazione gravitazionale rappresenta l'onda associata al quanto di gravità, o gravitone.

2) In ecologia, (o irradiazione) adattativa, la diversificazione di un taxon in numerose forme dai modi di vita o dai ruoli ecologici distinti, di solito in un periodo di tempo geologico relativamente breve. La radiazione adattativa corrisponde a un periodo di accelerazione dell'evoluzione che si verifica quando compaiono nuovi ambienti o quando l'assenza di competizione permette la diversificazione di forme nuove. Un esempio di radiazione adattativa assai riuscita è dato dalla proliferazione dei rettili nel periodo secondario, con la loro presenza in tutti gli ambienti, i loro regimi alimentari e le loro dimensioni molto diverse; lo stesso può dirsi per i mammiferi che attualmente li rimpiazzano.

Fisica: generalità

Si intende per radiazione l'emissione da parte di un corpo di una qualche forma di energia. Le radiazioni possono essere di natura assai diversa, in particolare è possibile distinguere radiazioni corpuscolari, come i raggi α e β emessi da sorgenti radioattive, e radiazioni ondulatorie come quelle elettromagnetiche o quelle di tipo elastico (acustiche). Nelle radiazioni ondulatorie, il principale parametro descrittivo è la lunghezza d'onda λ. Nel caso della radiazione elettromagnetica, a seconda della lunghezza d'onda si hanno proprietà completamente differenti, tanto che sono stati introdotti nomi diversi, come si trattasse di diversi tipi di radiazione. Per le lunghezze d'onda più piccole si hanno raggi γ, λ<10–11m e raggi X per 10–11m<γ<10–9m. Questi raggi presentano una fenomenologia simile alle radiazioni corpuscolari, sono cioè radiazioni ionizzanti e hanno una notevole capacità di penetrare nei materiali che attraversano. Crescendo con la lunghezza d'onda, si ha radiazione ultravioletta per 10–9m<λ<10–7m, radiazione visibile (luce) per 4×10–7m<λ<7×10–7m, radiazione infrarossa per 10–6m<λ <10–4m. A lunghezze d'onda ancora maggiori si hanno le onde radio, ulteriormente divisibili in corte, medie e lunghe. Ogni oggetto è una sorgente di radiazione elettromagnetica a seconda della temperatura. La quantità totale di energia emessa cresce con la quarta potenza della temperatura, mentre la lunghezza d'onda alla quale si ha il massimo dell'emissione è inversamente proporzionale alla temperatura. Per esempio una lampadina a 3000 gradi Celsius ha il massimo dell'emissione a circa λ=10–6m cioè tra visibile e infrarosso, mentre la fotosfera solare a 6000 gradi ha il massimo dell'emissione a λ=5×10–6m, nella luce visibile. Un corpo a 20 ºC (temperatura ambiente) emette radiazione elettromagnetica con un massimo a λ=10–5m (infrarosso). Nel campo delle radiazioni acustiche si parla di infrasonora, sonora, ultrasonora, che sono l'emissione di energia sonora da parte di una sorgente rispettivamente di onde infrasonore, sonore, ultrasonore; emissione e propagazione hanno insieme carattere ondulatorio e corpuscolare, quest'ultimo riguardante solo l'aspetto quantistico (fononi) della radiazione. Il dato che caratterizza la radiazione acustica è la frequenza: si chiama infrasonica per frequenze fino a 15 Hz, sonora per frequenze fra 15 e 15.000÷20.000 Hz, ultrasonora per frequenze superiori. Tenendo conto della relazione che lega la frequenza alla lunghezza d'onda, nel campo ultrasonico alle massime frequenze raggiunte, di 1012 Hz, corrispondono lunghezze d'onda nei solidi dell'ordine di 0,001 μm, ossia circa la centesima parte delle lunghezze d'onda delle radiazioni visibili. Le proprietà delle radiazioni ultrasonore in tale zona sono molto affini a quelle delle radiazioni elettromagnetiche .

Fisica: la produzione dei vari tipi di radiazione

La produzione dei vari tipi di radiazioni è stata, ed è, oggetto di studio da parte di diversi settori della fisica: la radiazione elettromagnetica, e più precisamente il suo modo di propagarsi nello spazio, ha interessato i fisici dell'Ottocento (principalmente J.C. Maxwell e H. Hertz), i quali ne definirono teoricamente e ne indagarono sperimentalmente le proprietà macroscopiche sulla base di quel gruppo di equazioni (equazioni di Maxwell) che sintetizza la teoria del campo elettromagnetico. La produzione e l'assorbimento di radiazione elettromagnetica, con i grandi problemi di pensiero che ha coinvolto, quale per esempio la “corpuscolarità” delle onde elettromagnetiche nei processi elementari di emissione e assorbimento, hanno polarizzato l'attenzione dei fisici su problemi anche più generali di quelli inerenti il solo fenomeno elettromagnetico. Da qui nasce, infatti, la ricerca di un aspetto duale (ondulatorio e corpuscolare) oltre che per gli altri tipi di radiazioni anche per le radiazioni corpuscolari, ciò per un'esigenza di simmetria che la natura sembra rispettare e per un'interpretazione più corretta delle leggi fisiche del mondo macroscopico. Il problema dell'emissione di radiazioni corpuscolari, che sono tipicamente di origine nucleare (vedi radioattività), coinvolge, inoltre, sia il problema della struttura del nucleo e della sua stabilità, sia il problema della conformazione dei nucleoni e del loro modo di interagire e di decadere. Molto importante, sia teoricamente sia per la ricerca astronomica, è anche la radiazione gravitazionale, prevista dalla teoria della relatività generale. Si tratta di una radiazione che trasporta quantità molto piccole di energia, e probabilmente solo particolari fenomeni di tipo astrofisico ne emettono quantità sufficienti per essere rivelate. Speciali antenne gravitazionali sono in funzione nel mondo alla ricerca di questa radiazione .

Fisica: le sorgenti delle radiazioni

Tutte le radiazioni vengono emesse da sorgenti sia naturali sia artificiali: il Sole è la principale fra le sorgenti naturali di molti tipi di radiazioni, in particolare radiazione elettromagnetica con frequenza nella gamma del visibile (luce) e dell'infrarosso (radiazione termica), mentre un gas opportunamente rarefatto, in cui si provoca una scarica elettrica, è una sorgente artificiale di luce. Di particolare interesse per le attività umane sono le sorgenti di radiazioni ionizzanti e le sorgenti di neutroni. Le sorgenti naturali di raggi α, β e γ sono costituite dai nuclidi di numero atomico Z maggiore di 82 (piombo) e minore o uguale a 92 (uranio), che sono spontaneamente radioattivi: in questi i nucleoni sono tanto numerosi da compromettere la stabilità nucleare originando una probabilità non trascurabile che si realizzi spontaneamente una transizione verso strutture più stabili con emissione di particelle α e β e di radiazione elettromagnetica γ. Sorgenti artificiali di radiazioni ionizzanti sono invece i radioelementi con numero atomico uguale o maggiore di 93 (transuranici) e gli isotopi artificiali di elementi stabili (radioisotopi); fra i transuranici alcuni sono sorgenti di neutroni ed emettono in seguito a fissione spontanea. Le sorgenti di neutroni sono tutte artificiali e comprendono (oltre ai transuranici) miscugli di emettitori di raggi α o γ con elementi leggeri quali Be, Li, Ne, F, sotto forma di polveri finemente suddivise: l'emissione di neutroni si ha dalle reazioni (α, n) e (γ, n) indotte negli elementi leggeri. Le sorgenti di radiazioni naturali e artificiali fino a ora considerate possono essere utilizzate nelle attività umane sotto forma di “sorgenti non sigillate”; in tal caso sono trattate solo nei laboratori di radiochimica dei reparti di medicina nucleare, delle industrie farmaceutiche ecc. Più utili, ai fini pratici, sono le “sorgenti sigillate”, quelle cioè il cui materiale produttore di radiazioni non è direttamente manipolato: tali sono i tubi a raggi X, gli acceleratori di particelle, i reattori nucleari, gli apparecchi per la radiodiagnostica, la radioterapia, la radiografia ecc. e tutti i dispositivi, contenenti radioelementi o radioisotopi, impiegati nei campi più vari, dagli apparecchi televisivi (con emissione di raggi X dall'energia di pochi keV) agli apparati per indagine metallurgica, ricerca radiochimica e radioecologica ecc. Una particolare sorgente di radiazioni è quella che consegue un'esplosione nucleare, soprattutto per la produzione di radiazioni ionizzanti .

Fisica: unità di misura delle radiazioni

Oltre alle grandezze e alle unità del Sistema Internazionale (S.I) sono usate, a scopo pratico, diverse grandezze e unità fuori dal Sistema. L'attività di una sorgente radioattiva, o unità di radioattività, viene misurata nella pratica, in curie (simbolo Ci), con 1 Ci corrispondente a 3,7 x 1010 disintegrazioni nucleari al secondo. L'unità corrispondente del Sistema Internazionale è, invece, il becquerel (simbolo Bq), corrispondente a una disintegrazione al secondo. La ionizzazione prodotta da una sostanza irradiata si misura in röntgen (R). Il röntgen, usato solo per i raggi X e per i raggi gamma, costituisce la “dose di esposizione” ed è la dose di radiazioni X (radiazioni standard di raggi X di energia pari a 250 keV) che in 1 cm3 di aria, a 760 mm di pressione e a 0 ºC di temperatura, produce due miliardi di coppie di ioni. L'intensità della dose d'esposizione, cioè il rapporto fra la dose d'esposizione e il tempo d'esposizione, si misura in r/h (röntgen all'ora); è un importante indice di sicurezza negli ambienti di lavoro per il personale addetto alla manipolazione di sostanze radioattive. Come termine di paragone, è da notare che una radiografia produce circa 500 mR e un orologio fosforescente 5 mR all'anno. L'energia assorbita dai tessuti viene invece a volte espressa in erg (unità non del Sistema Internazionale: 1 erg=10-7 joule); un grammo di tessuto esposto a 1 röntgen assorbe ca. 93 erg: il valore di 100 erg viene assunto convenzionalmente come unità di dose assorbita e prende il nome di rad (rate adsorbed dose). La grandezza corrispondente del Sistema Internazionale, da preferirsi, è il gray (simbolo Gy), pari a una dose assorbita di 1 joule/kg. Con il termine di rem (röntgen equivalent man) si indica invece la quantità di radiazioni ionizzanti che, a parità di altre condizioni, producono lo stesso effetto biologico di 1 röntgen, cioè è la dose biologica assorbita da un organismo vivente dovuta a 1 rad. Più esattamente, poiché non tutte le radiazioni producono gli stessi effetti biologici, per tener conto delle differenze, nel campo della protezione dalle radiazioni, il dosaggio di un rem equivale a quello di un rad moltiplicato per un fattore di qualità, che varia da 1, per i raggi X e gamma, a 20, per gli ioni pesanti. Nel Sistema Internazionale, la dose di radiazione si misura in sievert (simbolo Sv). Si definisce anche la dose letale, LD50, cioè la quantità di radiazione, in rem, necessaria per produrre la morte della metà di una popolazione. Per le radiazioni che colpiscono il corpo umano, LD50 varia tra 250 e 450 rem. Importante parametro radiobiologico è l'“efficacia biologica relativa” o EBR, definita come il rapporto tra la dose in rad di radiazioni standard capace di produrre un determinato effetto biologico e la dose in rad di una qualsiasi radiazione che produce lo stesso effetto biologico.

Fisica: effetti delle radiazioni

Tutte le radiazioni hanno effetto sulla materia sia organica sia inorganica in rapporto alla natura e alla lunghezza d'onda della radiazione, in quanto la materia assorbe, trasmette, diffonde e riflette più o meno intensamente ogni radiazione. Il primo e più generalizzato effetto è quello dell'innalzamento della temperatura del corpo irradiato che è in diretto rapporto con l'intensità del campo, con la natura del materiale irradiato e con il tipo di radiazione: i materiali biologici sono i più sensibili e l'effetto può variare da semplici alterazioni superficiali (per esempio infiammazioni e dermatiti della cute) ad alterazioni patologiche (colpi di calore, ustioni). Tale effetto si verifica non solo con le radiazioni dell'infrarosso (radiazioni termiche) ma anche con periodi più o meno lunghi di esposizione ad altri tipi di radiazioni; in particolare di radiazioni elettromagnetiche: campi di microonde (per esempio emesse da installazioni radar) possono provocare danneggiamento termico di tessuti sensibili come quello della retina oculare; similmente radiazioni luminose, in particolare radiazioni laser, hanno notevoli effetti termici sulla materia organica e su molti materiali inorganici; forme di interazione termica sono dovute, infine, alle radiazioni ionizzanti. Di non trascurabile entità possono essere gli effetti dovuti alla quantità di moto e alla quantità di energia che le radiazioni posseggono: l'interazione di una radiazione con un materiale può generare onde elastiche o altri fenomeni di natura atermica che inducono effetti negativi sulla struttura dei materiali irradiati. Sono noti gli effetti delle vibrazioni sonore molto intense su materiali da costruzioni, su strutture anche metalliche (per esempio degli aeroplani) ecc. come pure sugli organismi viventi, che possono giungere fino a danni macroscopici (per esempio alterazioni della fisiologia, distacco della retina oculare, sordità ecc.); così pure campi intensi di microonde possono provocare alterazioni della popolazione cellulare del sangue. Tra gli effetti dovuti all'energia delle radiazioni di particolare importanza sono quelli fotochimico, della fotoelettricità e della fotosintesi. Tra gli effetti meglio studiati, per le implicazioni socio-economiche a essi connesse, vi sono quelli dovuti alle radiazioni ionizzanti provenienti soprattutto dalle sorgenti artificiali, dato che quelle delle sorgenti naturali (definite di fondo) hanno un'intensità che non supera in genere i 126 rem all'anno.

Biofisica: l'effetto ionizzante

Il danno provocato dalle radiazioni ionizzanti ai tessuti biologici deriva da due distinti fenomeni: l'interazione con la cromatina, che può portare alla lisi della molecola lineare del DNA o alla modificazione fotochimica di una base azotata (danno diretto), e l'interazione con piccole molecole quali l'ossigeno e l'acqua con generazione di una coppia di radicali (per esempio H₂O → OH+H); in quest'ultimo caso il danno tessutale dipende dalla successiva reazione dei radicali formati con la cromatina (danno indiretto). In entrambi i casi la molecola bersaglio nel tessuto è il DNA e il danno ad altre macromolecole, che pure possono essere interessate, non riveste importanza patologica; anzi, nel caso del danno indiretto il glutatione, le proteine e i diversi tipi di RNA svolgono un'azione protettiva perché, reagendo con i radicali liberi, li consumano prima che agiscano sul DNA. Non tutte le molecole che compongono la sostanza vivente hanno tuttavia la stessa sensibilità nei confronti delle radiazioni; le cellule, d'altra parte, subiscono in misura diversa l'effetto ionizzante, secondo che siano colpite strutture molecolari più o meno sensibili. L'importanza della cromatina nella patogenesi delle lesioni da radiazioni ionizzanti è dovuta all'incapacità della cellula di sostituire questo componente che, al contrario delle proteine e dello RNA, non viene costantemente degradato e risintetizzato ex novo, e viene duplicato solo durante il ciclo mitotico. La radiosensibilità delle cellule dipende dalla loro attività proliferativa, dalla temperatura (le lesioni sono più marcate quanto più alta è la temperatura del tessuto), dalla composizione del mezzo, dal contenuto tessutale di ossigeno (i tessuti privati di ossigeno risentono molto meno gli effetti delle radiazioni ionizzanti a causa dell'importanza dell'ossigeno nella patogenesi del danno indiretto). Se un fascio di radiazioni colpisce un aggregato cellulare costituito da elementi dello stesso tipo si osserva che non tutte le cellule vengono colpite e distrutte: ciò deriva dal fatto che nelle cellule sono presenti “bersagli”, cioè punti particolarmente sensibili alle radiazioni; il numero dei bersagli colpiti dipende da fattori di probabilità e aumenta proporzionalmente alla dose di radiazioni che colpiscono l'aggregato cellulare. Poiché i tessuti degli organismi viventi sono formati in gran parte di acqua, la molecola dell'acqua è quella più comunemente interessata: le radiazioni, infatti, scindono l'acqua in due radicali liberi determinando poi il trasferimento di un elettrone da ciascuno dei due radicali ossidrilici all'ossigeno, con formazione di ossigeno ionizzato e di acqua ossigenata. La molecola dell'ossigeno ionizzato può reagire a sua volta con ioni idrogeno portando all'ulteriore formazione di acqua ossigenata, potente veleno cellulare a cui si può attribuire la massima parte delle lesioni prodotte dalla radioattività sui tessuti animali. In pratica, gli effetti delle radiazioni sull'organismo dipendono da quattro fattori fondamentali: la qualità e la dose della radiazione, in rapporto al tempo di esposizione; la modalità dell'irradiazione (esterna o interna); il carattere acuto o cronico dell'esposizione; la sensibilità specifica dei tessuti. Particolarmente sensibili agli effetti delle radiazioni sono i nuclei delle cellule: le alterazioni indotte nei cromosomi portano, durante la riproduzione sessuale, a profonde trasformazioni delle cellule-figlie; quando vengono colpite cellule riproduttrici si può giungere a una vera e propria mutazione. L'azione delle radiazioni su cromosomi e geni non si rivela però sempre nociva: la microbiologia e l'agricoltura sfruttano, infatti, le mutazioni radioindotte per ottenere nuove forme viventi, come, per esempio, nuovi ceppi di muffe per la produzione di nuovi antibiotici, o nuove varietà di piante caratterizzate da una maggior resistenza alle malattie, da un più rapido sviluppo ecc. Generalmente la sensibilità delle cellule animali e vegetali alle radiazioni è maggiore durante la mitosi e massima all'inizio di essa; tale sensibilità, che viene misurata in base a quella dose che è letale al 50% di una popolazione di cellule della stessa natura (DL-50), è tanto maggiore quanto più complessi sono gli organismi: le cellule dei Mammiferi, per esempio, sono sensibili a dosi che variano da poche decine a qualche migliaio di rem, mentre la dose per le cellule dei Protozoi e dei Batteri può raggiungere rispettivamente i 300.000 e i 500.000 rem.

Biofisica: danni provocati dalle radiazioni

Per quanto riguarda il mondo vegetale, si può affermare che le piante sono notevolmente radioresistenti, in particolare le Angiosperme più delle Gimnosperme; le anomalie che si verificano in esse riguardano l'irregolarità nella formazione di foglie, fiori e frutti, fasciazione nei fusti, diminuzione nella produzione di semi ecc. Le parti che risultano più resistenti sono costituite da semi e tuberi, mentre le estremità proliferanti delle radici e dei germogli sono le più sensibili. Nell'uomo, e negli animali superiori in genere, i danni più gravi si riscontrano nei tessuti che hanno più rapida replicazione: le membrane mucose e gli organi emopoietici; l'irradiazione del timo, delle linfoghiandole, della milza e del midollo osseo porta a una rapida distruzione delle cellule emopoietiche con relativa scomparsa di linfociti, granulociti, emazie e piastrine dal sangue. Altrettanto sensibili sono l'apparato digerente, l'apparato genitale, dove le radiazioni provocano la riduzione del volume testicolare con successiva oligospermia, e la cute che, in relazione alle dosi, può presentare arrossamenti, depilazione, ulcerazioni e radiodermiti croniche. Per ciò che riguarda il sistema nervoso periferico si è sempre ritenuto che eventuali disturbi fossero conseguenza di alterazioni metaboliche, ma studi di elettrofisiologia tendono a provare che anche le cellule nervose sono sensibili a dosi relativamente piccole. L'irradiazione acuta totale o molto estesa dell'organismo causa nell'uomo il cosiddetto “male da raggi”, la cui sindrome clinica è ben nota dopo le esplosioni nucleari in Giappone nel corso della seconda guerra mondiale: a distanza di 12-24 ore da un'irradiazione con dose semiletale (che si aggira sui 400 röntgen) appaiono i primi sintomi (malessere, nausea, cefalea, disturbi intestinali) che scompaiono poi nella settimana successiva, periodo nel quale avviene la distruzione delle cellule emopoietiche che sarà la causa della maggior parte dei decessi delle settimane seguenti. Dopo il periodo di tregua (7-10 giorni) le condizioni dell'ammalato si aggravano con ulcerazioni ed emorragie e tra la quarta e la sesta settimana può sopravvenire la morte, generalmente provocata da setticemia. Nei soggetti che superano la fase critica la guarigione è lenta e negli anni successivi possono manifestarsi forme leucemiche e neoplasie, mentre nell'ambito di popolazioni colpite da radiazioni si nota in genere un abbassamento della vita media. Inoltre, anche a distanza di molti anni, possono comparire malattie e fenomeni correlati con l'effetto delle radiazioni sul patrimonio genetico dell'individuo esposto o dei suoi discendenti.

Biofisica: forme di contaminazione

Anche l'esposizione ripetuta a piccole dosi di radiazioni ionizzanti può turbare gravemente i sistemi dell'informazione ereditaria delle cellule riproduttrici e di quelle somatiche ad alto ritmo riproduttivo; ciò può avere conseguenze diverse: aumento della mortalità neonatale, pericolo di malformazioni congenite, sterilità, aumentata suscettibilità alle malattie fisiche e mentali. Tali acquisizioni hanno posto in particolare evidenza i pericoli connessi con l'inquinamento radioattivo dell'ambiente e con l'esposizione cronica professionale alle sorgenti di radioattività. Una forma di contaminazione cronica indiretta è il consumo di cibi vegetali e animali contaminati per assorbimento di materiali radioattivi. Questi pericoli sono dovuti alle svariate utilizzazioni pacifiche dell'energia nucleare, alla diffusione delle centrali elettronucleari e dei reattori di ricerca, all'impiego sempre più largo dei traccianti radioattivi in medicina, nell'industria, nella ricerca biologica ecc. Si è così accentuata l'esigenza di organizzare i controlli, per prevenire e minimizzare la contaminazione radioattiva, e la necessità di studiare le misure più idonee per la protezione dell'uomo e dell'ambiente. Per quanto riguarda l'uso delle radiazioni ionizzanti per scopi terapeutici, vedi radioterapia.

Biofisica: effetti provocati sui materiali

Gli effetti provocati dalle radiazioni ionizzanti sui materiali, generalmente chiamati radiation damage, possono essere di natura sia chimica sia fisica, quali dissociazione di molecole, produzione di radicali liberi o di ioni, variazione della conducibilità elettrica e termica, della durezza ecc. Nei reattori nucleari gli effetti più importanti sono dovuti ai neutroni veloci, ai frammenti di fissione e ai raggi β e γ. Gli aggregati molecolari, costituiti da molecole sature legate fra loro da deboli forze, possono subire trasformazioni profonde per la rottura dei legami fra gli atomi; negli alti polimeri sottoposti a radiazioni si riscontra una ionizzazione molto spinta, mentre nelle sostanze elastiche subentrano durezza e fragilità. Negli aggregati ionici l'eccitazione elettronica può spostare atomi e creare posti vacanti, introducendo nei reticoli cristallini vari tipi di difetti (centri di colore, diminuzione di densità, maggior durezza). Molto simile a questo è il comportamento dei cristalli covalenti, in cui i difetti reticolari, che portano per esempio a una notevole dilatazione nel diamante e a una sensibile diminuzione della densità e della conducibilità termica nel quarzo, sono creati in massima parte dall'urto diretto delle radiazioni con gli atomi. Il germanio e il silicio, di largo impiego come semiconduttori nelle applicazioni elettroniche, vengono usati anche come rivelatori di particelle, perché queste introducono in essi impurezze e imperfezioni che ne alterano la conducibilità. Nei metalli, infine, l'effetto più rilevante è rappresentato dalla variazione dello sforzo critico. Per ciò che riguarda i componenti strutturali dei reattori, quelli più danneggiati sono gli elementi combustibili, in cui ogni frammento di fissione, che perde la propria energia nello spazio di 5-15 μm, può spostare dal proprio centro di equilibrio ca. un milione di atomi e produrre notevolissimi aumenti locali di temperatura: gli effetti visibili si manifestano come rigonfiamenti, aumento della fragilità e indebolimento. Negli altri materiali del reattore il danno, causa le brevissime distanze cui possono giungere i frammenti di fissione, è prodotto soprattutto da neutroni e raggi γ: si hanno aumento della fragilità, indebolimento agli sforzi, dissociazione delle molecole ecc.; in particolare, la grafite usata come moderatore nei punti interessati da difetti reticolari accumula energia che può essere restituita istantaneamente provocando intensi riscaldamenti con conseguente pericolo di scoppio del reattore stesso.

Biofisica: protezione contro le radiazioni

In considerazione di quanto prima detto, assume fondamentale importanza la protezione contro le radiazioni ionizzanti (raggi X, γ, particelle α, β e protoni e, in generale, particelle elementari cariche) o indirettamente ionizzanti (neutroni e particelle neutre in generale), cioè la prevenzione degli effetti immediati delle radiazioni e la limitazione dei rischi di effetti tardivi entro limiti ritenuti accettabili. L'attuazione di una tale protezione, da realizzarsi con dispositivi opportuni e procedure particolari di manipolazione di sorgenti, presuppone sia nota la relazione fra la dose di radiazioni assorbita (misurata in rem) e il danno o il rischio di danno per le cellule viventi. Dagli studi statistici si desume che non vi è prova dell'esistenza di una dose soglia al di sotto della quale il rischio di danno possa considerarsi nullo, pertanto è stata fatta l'ipotesi che anche le dosi più modeste comportino il rischio, proporzionalmente piccolo, che siano indotte forme morbose a carattere maligno nell'uomo. In questa ipotesi la relazione fra dose assorbita ed effetto della radiazione è lineare e le dosi agiscono in maniera cumulativa: anche se essa venisse smentita non debbono essere sottovalutati i rischi per gli individui ed è per questo che la si assume come ipotesi di lavoro. Il riconoscimento del rischio nell'uso delle radiazioni ne comporta una limitazione fino al livello in cui il rischio è da considerarsi accettabile per l'individuo e per la collettività, in vista dei benefici derivanti dalle attività con sorgenti radiogene. È questo il criterio che determina la scelta delle cosiddette “dosi massime ammissibili” per le quantità di energie assorbite dagli organi più radiosensibili (organi critici), in un dato periodo di tempo, in seguito all'irradiazione esterna o interna degli individui addetti all'impiego di sorgenti di radiazioni. Si intende per irradiazione esterna quella dovuta a sorgenti esterne al corpo e per irradiazione interna quella dovuta a materiale radioattivo che entra nell'organismo attraverso ferite, per inalazione, per ingestione o anche attraverso la cute durante le manipolazioni. In questo ultimo caso si incontrano le maggiori difficoltà nello stabilire gli standard minimi di sicurezza, dipendendo la concentrazione dei radionuclidi nei diversi organi oltre che dalla natura dei primi e dei secondi anche da fattori caratteristici di ciascun individuo, come il metabolismo. L'esposizione interna viene controllata limitando la contaminazione superficiale e stabilendo le concentrazioni massime ammissibili dei radioelementi nell'aria e nell'acqua. La concentrazione massima ammissibile di un particolare radionuclide è quella che, introdotta nel corpo per inalazione o ingestione durante l'intero periodo di lavoro nella vita di un individuo, corrisponde alla dose massima ammissibile per gli organi critici relativa allo stesso periodo di tempo. Le limitazioni di dose non riguardano le esposizioni ricevute da pazienti per motivi diagnostici o terapeutici; tuttavia in questo caso la necessità di limitare le dosi di procedure radiologiche al livello minimo compatibile con il beneficio medico per l'ammalato ha creato la figura del fisico sanitario, che lavora in équipe con il radiologo al fine di programmare l'entità e i metodi di irradiazione, in caso di terapie radianti, in modo da salvaguardare l'integrità degli organi sani dei pazienti. Norme specifiche sono previste anche per i lavoratori su sorgenti radiogene i quali devono sottoporsi a continui rilievi dosimetrici ottenuti con i dosimetri portatili individuali e a periodici controlli medici. Se campi di radiazioni interessano individui non precisamente addetti all'impiego di sorgenti, ma semplicemente facenti parte della popolazione, le dosi da considerare accettabili sono valutate in una frazione di quelle ammissibili per lavoratori con rischio di irradiazione. L'ulteriore limitazione di dose è motivata dal fatto che potrebbero risultare esposti anche bambini, per cui il rischio di danno è maggiore, e inoltre gli individui esposti non sono soggetti alla selezione, alla sorveglianza e ai rilevamenti di dose assorbita richiesti per i lavoratori con riconosciuto rischio radiologico. Infine, quando intere popolazioni o grandi frazioni di esse sono esposte, è necessario considerare non solo il rischio individuale, ma anche il numero complessivo delle persone esposte: il rischio di danno si desume, infatti, da una valutazione statistica; per questo anche se l'esposizione individuale è limitata, per cui il rischio personale è piccolo, la somma dei rischi individuali può giustificare il timore di alterazioni somatiche e genetiche nella popolazione considerata e giustifica lo sforzo per un'ulteriore limitazione dell'esposizione.

Biofisica: disposizioni italiane di radioprotezione

Le disposizioni italiane di radioprotezione sono in accordo con le direttive impartite dalla Comunità Europea dell'Energia Atomica (EURATOM). Stabiliti i limiti delle dosi che persone esposte possono assorbire, purché i campi di radiazioni nell'intorno delle sorgenti siano tali da determinare esposizioni consentite dalla legge, si agisce variando i tre principali parametri che determinano l'entità delle irradiazioni e cioè: tempo di esposizione, distanza dalla sorgente, schermatura fra sorgente e persone. Per quanto riguarda il primo fattore, di norma viene fissato un tempo massimo di permanenza in un dato luogo, in dipendenza dell'intensità del campo di radiazioni ivi presente, perché non si eccedano i valori massimi di dose assorbita; quando necessario si prevedono turni di lavoro di più individui o più squadre di individui, che a rotazione si alternino nella zona critica. Per il secondo fattore, va notato che nel caso di una sorgente puntiforme, o meglio di una sorgente di dimensioni trascurabili rispetto a quelle dell'ambiente di lavoro, l'intensità del campo di radiazioni decresce proporzionalmente al quadrato della distanza. Su questa base si distinguono all'interno della sorgente tre zone limitate da circonferenze con centro nella sorgente stessa: la prima zona, detta zona controllata, è un cerchio comprendente i campi di radiazioni che possono dare luogo a dosi assorbite fino a 1,5 rem/anno per irradiazione del corpo intero dell'individuo in essa presente; i lavoratori che operano abitualmente in questa zona sono considerati professionalmente esposti e sono soggetti, oltre al controllo dosimetrico individuale, anche a periodici controlli medici. La seconda zona è una corona circolare concentrica alla prima, detta zona sorvegliata; in essa sono contenuti i campi di irradiazione che danno dosi assorbite fino a 0,77 rem/anno per irradiazione del corpo intero dell'individuo; chi lavora in questa zona non è considerato professionalmente esposto, tuttavia è sottoposto a controllo dosimetrico individuale. Infine, la terza zona è l'area esterna alla zona sorvegliata e termina dove inizia la zona sorvegliata riferita a un'altra sorgente; in essa il campo di radiazioni dovuto alla sorgente, e che si sovrappone alla radiazione di fondo, è da considerare trascurabile; non è richiesto controllo alcuno per le persone in essa presenti. Se la sorgente non è puntiforme i limiti delle precedenti zone vanno determinati misurando, con strumenti adatti, l'intensità del campo di radiazioni in un opportuno numero di posizioni intorno alla sorgente. È ovvio che una sorgente dà luogo a zone controllate la cui ampiezza dipende dall'intensità della radiazione che invade lo spazio e dalla durata dell'irradiazione. Può capitare allora che un individuo, per non subire irradiazioni superiori ai limiti ammissibili, si trovi a poter sostare o troppo lontano dalla sorgente o nelle sue vicinanze per un tempo troppo breve in rapporto al lavoro da svolgere. Si ricorre allora alla predisposizione di schermature fra sorgente e operatore che consentano il lavoro presso la sorgente.

Biofisica: schermatura dalle radiazioni

Il tipo di schermatura dipende dal tipo di radiazione che si intende fermare. Le particelle α, grazie alla loro elevata ionizzazione specifica, vengono fermate con facilità da qualunque materiale; pertanto non esistono, in genere, pericoli di irradiazione esterna da sorgenti α e non sono richieste particolari schermature. Il pericolo grave è per irradiazione interna in seguito a introduzione di emettitori di raggi α nell'organismo. L'attenuazione dei raggi X e γ nella materia può essere descritta con andamenti dell'intensità di tipo esponenziale e quindi, in teoria, questa radiazione non può essere assorbita completamente qualunque sia lo spessore della schermatura: quello che si ottiene è di ridurne l'intensità a livelli accettabili. Le sostanze più adatte per schermature dei raggi X e γ sono quelle ad alta densità come il piombo, l'uranio, il torio, l'oro, il tungsteno; le più usate in pratica sono il piombo, il ferro, il cromo, il nichel e l'uranio impoverito. Le particelle β hanno una ionizzazione specifica molto minore delle α e inoltre, interagendo con la materia, producono raggi X (Bremsstrahlung); esse hanno una profondità di penetrazione che decresce con l'aumentare del numero atomico (Z) dell'assorbitore, ma con l'aumentare dello Z dell'assorbitore aumenta l'intensità dei raggi X di Bremsstrahlung che, tuttavia, a loro volta richiedono materiali di alto Z per essere assorbiti. Per tali motivi spesso gli schermi per particelle β sono composti di due strati: uno in materiale di basso numero atomico (per esempio alluminio) in cui si ottiene l'attenuazione del fascio β con bassa produzione di raggi X; un secondo in materiale di alto numero atomico (per esempio piombo) che completa l'attenuazione della radiazione β e assorbe la radiazione elettromagnetica di Bremsstrahlung. I neutroni, come i raggi γ, sono molto penetranti: un fascio di neutroni viene infatti attenuato solo per urti elastici o anelastici con i nuclei dell'assorbitore. I migliori materiali schermanti sono pertanto quelli a basso numero atomico (almeno per intervalli di energia dei neutroni in cui predomina l'urto elastico), come l'acqua, le materie plastiche, la paraffina, il berillio e la grafite. Ma il problema di effettuare uno schermaggio efficiente per i neutroni presenta notevolissime difficoltà, innanzitutto per la mancanza di dati precisi sulle sezioni d'urto per i vari processi che realizzano l'attenuazione del fascio e poi perché, nell'interazione fra neutroni e materia, vengono prodotti raggi γ che richiedono, contrariamente ai neutroni, materiali di elevata densità per lo schermaggio. L'uso del calcestruzzo realizza un compromesso che consente di attenuare sia il fascio di neutroni sia i raggi γ per l'elevato contenuto in acqua e la notevole densità di questo materiale. Per qualunque tipo di radiazione, infine, lo spessore delle schermature (del materiale più opportuno) dipende,oltre che dall'energia e dall'intensità della sorgente, anche dal tempo massimo di utilizzo della stessa nelle ore lavorative (fattore d'uso) e dal tempo massimo di permanenza di una stessa persona in prossimità della sorgente nelle ore di lavoro (fattore di occupazione). Gli apparecchi contenenti sorgenti di radiazioni sigillate per usi medici e industriali vengono posti, di norma, entro bunker con pareti schermanti, all'esterno dei quali si trovano i tavoli di comando degli operatori; nel caso delle sorgenti meno energetiche lo schermaggio è realizzato con barriere fisse o mobili in piombo che proteggono l'operatore entro la stanza stessa in cui sono installate le sorgenti. Inoltre grembiule e guanti in gomma piombifera di opportuno spessore vengono indossati dai lavoratori entro i campi di radiazione. Quando si debbano manipolare materiali radioattivi, le operazioni avvengono in ambienti (celle calde) con pareti e pavimenti rivestiti in materiali facilmente decontaminabili e che non reagiscono chimicamente con i radionuclidi, come acciaio inossidabile e materiali plastici speciali (PVC). La soluzione dei problemi protezionistici in questo secondo caso dipende dallo stato, dalla tossicità, dall'attività e dal tipo di radiazione emessa dalle sostanze manipolate. Le sostanze gassose richiedono contenitori stagni particolari, mentre l'uso di sostanze pirofosforiche pone problemi di prevenzione antincendio. Gli emettitori α, essendo in genere molto tossici e particolarmente pericolosi se immessi nell'organismo, richiedono di essere manipolati in scatole a guanti, con pareti che, tuttavia, possono essere sottili. Se si devono trattare emettitori γ devono essere usati manipolatori a distanza che consentano la limitazione del rischio di irradiazione esterna. Se la cella calda ha impieghi diversi, la schermatura è costituita da intercapedini metalliche riempite di limatura di ferro, sabbia o minerali vari che permettono di trasformare lo schermo secondo le necessità. Se gli isotopi manipolati subiscono fissioni spontanee o quando nelle operazioni si producono neutroni, vengono usati come ulteriore schermo recipienti in acciaio pieni d'acqua. Le celle calde sono in genere mantenute a pressione ridotta per prevenire la fuoruscita di gas o vapori contaminanti. La ventilazione della cella avviene immettendo l'aria dall'alto e aspirandola dal basso, per evitare le sospensioni in aria di pulviscolo radioattivo; lungo la linea di aspirazione vengono posti filtri o sostanze assorbenti periodicamente sostituiti, eventualmente con sistemi meccanici di rimozione, specialmente se sono presenti gas radioattivi. Se cavi o condotti devono entrare nella cella per l'immissione dell'energia elettrica o dell'acqua o di altro, essi vengono costruiti a labirinto per evitare di ridurre l'efficacia della schermatura anche solo localmente. Il metodo di visione all'interno della cella dipende dal tipo di lavorazione da effettuare e può avvenire tramite finestre dotate di vetri al piombo, periscopi, specchi o televisori a circuito chiuso. Per la conservazione dei radionuclidi sono installate casseforti schermate.

Biofisica: sistemi di scarico dei rifiuti

Le celle calde, infine, devono essere dotate di sistemi di scarico dei rifiuti liquidi e solidi. I rifiuti liquidi, convogliati in un idoneo collettore, sono inviati in vasche di diluizione dove vengono miscelati con acqua fino al raggiungimento delle concentrazioni consentite, di ciascun radionuclide, per l'immissione nel sistema fognario esterno. Le concentrazioni ammesse per lo scarico dei rifiuti liquidi sono stabilite per legge. I rifiuti solidi, depositati in contenitori schermati, sono raccolti da ditte specializzate, oppure sono conservati in bunker schermati fino al decadimento del radionuclide e poi affidati ai servizi di nettezza urbana. In caso di incidente (fuoruscita di sorgenti sigillate o versamento di sostanze radifere), se vi è rischio di irradiazione esterna occorre predisporre una squadra di operatori, dotata di indumenti schermanti, che si alternino, a intervalli di tempo predeterminati, nel luogo dell'incidente fino al ripristino delle condizioni di normale lavoro; se vi è stata contaminazione dell'ambiente occorre procedere a una prima decontaminazione con lavaggio delle aree contaminate e assorbimento del liquido con materiale assorbente (carta bibula), che viene poi eliminato come rifiuto solido radioattivo; in seguito, le aree, se necessario, saranno rivestite con nuovo materiale isolante. Se infine la contaminazione riguarda un addetto al laboratorio ed è esterna, la prassi da seguire è diversa in dipendenza dalla presenza o meno di ferite, ustioni o lesioni in genere; nel caso di ingestione il livello di intervento è determinato dai rilievi sui campioni biologici.

Geofisica: le radiazioni solari

La radiazione solare che giunge fino alla Terra è la forma dell'energia che il Sole perde verso lo spazio e come tale è costituita da radiazioni elettromagnetiche e corpuscolari; essa è la sola forma di energia che riceve la Terra e sta alla base di tutti i fenomeni che avvengono sul pianeta: basti pensare alla fotosintesi, alle variazioni di temperatura climatiche e stagionali, alla formazione del tempo meteorologico, alla produzione della vita stessa. La corona solare emette radiazioni elettromagnetiche il cui spettro è molto simile a quello di un corpo nero alla sua stessa temperatura. Notevoli sono le emissioni nell'ultravioletto, da cui ci protegge lo strato di ozono situato fra i 12 e i 25 km, nel visibile (luce solare) e nell'infrarosso (calore solare); meno intensa è l'emissione nel campo delle radioonde. La radiazione solare è altresì composta da radiazioni corpuscolari, soprattutto ioni positivi ed elettroni, emesse da macchie solari in particolari posizioni e di particolare attività e che sono responsabili delle tempeste magnetiche che interessano la Terra. In generale però, l'irraggiamento corpuscolare proveniente dal Sole è irregolare ed è collegato a eruzioni cromosferiche di particolare entità. Solo una piccola parte della radiazione solare giunge fino alla Terra; al limite superiore dell'atmosfera, l'energia in arrivo sull'unità di superficie viene misurata dalla “costante solare” (vedi Sole), grandezza che varia di poco nel corso dell'anno, ma che avrebbe potuto avere subìto notevoli cambiamenti nel corso dei sec. Si valuta, peraltro, che una variazione della costante solare anche di appena l'1% avrebbe notevole influenza sul clima terrestre. Una variazione di questo ordine potrebbe portare a una variazione di circa 1 grado Celsius della temperatura media globale. La radiazione solare in arrivo viene in parte riflessa nello spazio: dal rapporto fra intensità del flusso di radiazione solare incidente e intensità del flusso di radiazioni (in prevalenza luminose) riflesse si ricava l'albedo planetaria (valutata intorno a 0,35). Questo potere riflettente varia secondo la superficie irradiata: per il terreno e la vegetazione oscilla fra 0,10 e 0,25; per le zone desertiche giunge fino a 0,30; per le zone innevate e i ghiacciai va da 0,40 a 0,90; per le nubi da 0,30 a 0,80; per le acque marine l'albedo è in diretta funzione con l'altezza del Sole sull'orizzonte per cui, nel corso della giornata e con cielo sereno, varia da 0,4 (Sole allo zenit) a 0,90 (Sole all'orizzonte).

Geofisica: l'assorbimento delle radiazioni nell'atmosfera

Della radiazione solare che giunge al limite superiore dell'atmosfera un altro 16% viene assorbito dall'atmosfera: innanzitutto la radiazione elettromagnetica viene intercettata secondo la sua lunghezza d'onda; infatti solo due intervalli di lunghezze d'onda possono attraversare l'atmosfera terrestre. Sono queste le cosiddette finestre, una ottica, da 300 nm a 4,5 μm circa, e l'altra radio, da 3 cm a 30 m circa. Al di fuori di questi intervalli di lunghezze d'onda, tutta la radiazione incidente viene assorbita e diffusa dai gas e dalle particelle di polvere dell'atmosfera, o viene riflessa dalla ionosfera. La ionosfera, inoltre, assorbe la quasi totalità delle radiazioni corpuscolari; un'ulteriore barriera è costituita dall'ozonosfera che interagisce con le radiazioni corpuscolari e blocca la quasi totalità delle radiazioni di lunghezza d'onda inferiore a circa 280 nanometri. Dato che l'atmosfera terrestre ha un gradiente di densità, l'assorbimento diminuisce all'aumentare dell'altitudine del luogo d'osservazione, cosicché a 100 km di altitudine il limite di visibilità si sposta a circa 200 nm nell'ultravioletto mentre a 1000 km la trasparenza atmosferica è completa su tutto lo spettro elettromagnetico. L'assorbimento delle radiazioni solari da parte dell'atmosfera terrestre avviene per assorbimento vero e per diffusione, sia (per effetto Rayleigh da parte delle molecole dei gas atmosferici, sia da parte delle particelle in sospensione nell'aria. L'assorbimento vero si manifesta sotto la forma delle finestre citate; l'effetto Rayleigh, per il quale il coefficiente di assorbimento è inversamente proporzionale alla quarta potenza della lunghezza d'onda, è il responsabile del colore azzurro del cielo: infatti la luce violetta viene diffusa maggiormente della luce rossa, e quindi quella parte di radiazioni che un raggio diretto perde per diffusione e che giunge al nostro occhio dopo innumerevoli passaggi diffusivi è più ricca di radiazioni di breve lunghezza d'onda. L'atmosfera terrestre assorbe anche diversamente la radiazione extraterrestre secondo la direzione d'incidenza: è ben noto infatti che un astro (per esempio il Sole) appare molto meno luminoso (oltre che più rossastro per effetto Rayleigh) quando viene osservato verso l'orizzonte che non verso lo zenit. È questo il fenomeno dell'estinzione atmosferica o zenitale. L'assorbimento della radiazione ultravioletta nella parte alta dell'atmosfera provoca il riscaldamento tipico della ionosfera e della mesosfera tra i 50 e i 60 km. La radiazione infrarossa che si diffonde nell'atmosfera viene in gran parte assorbita nella troposfera dall'anidride carbonica e dal vapore acqueo ivi presenti. L'anidride carbonica e l'acqua si comportano, pertanto, come il tetto di vetro di una serra e favoriscono l'immagazzinamento di calore in prossimità della superficie terrestre. Questo effetto, detto effetto serra, contribuisce notevolmente a determinare la temperatura media diurna sulla superficie terrestre: infatti, in base ai valori dell'albedo, la temperatura media della superficie terrestre dovrebbe essere di ca. –23 ºC, mentre in realtà essa è di ca. 15 ºC al suolo.

Geofisica: le radiazioni solari sulla Terra

Pur restando invariato nel corso di un anno il valore della costante solare, la posizione (distanza) e l'inclinazione del pianeta rispetto al Sole fanno variare la quantità di energia assorbita e riflessa dall'atmosfera in rapporto all'emisfero esposto e alla latitudine: ciò sta alla base delle variazioni stagionali della temperatura e delle diversità climatiche. In senso assoluto, solo il 26% della radiazione solare raggiunge la superficie terrestre sotto forma di radiazione diretta; infatti, oltre alla percentuale dispersa e assorbita dall'atmosfera, il 2% della radiazione totale viene assorbito dalle nubi, il 4% ca. è riflesso per albedo e il 31% ca. è riflesso dalle nubi e dalle particelle di vapore. Alla radiazione diretta vanno aggiunte, tuttavia, la radiazione indiretta e quella diffusa dall'atmosfera, il che porta il valore della radiazione assorbita dalla superficie terrestre al 47% (radiazione effettiva). A sua volta, la massa terrestre irradia, sotto prevalente forma di radiazione infrarossa, una quantità di radiazioni pari al 114% di quella incidente (radiazione terrestre): ciò è dovuto al complesso meccanismo di scambi e di trasformazioni energetiche tra massa terrestre (ivi compresa la biosfera produttrice di radiazione termica) e atmosfera. Infatti va considerato che la radiazione assorbita in superficie (più lentamente dall'idrosfera, più rapidamente dal terreno e dalla biosfera) viene diversamente utilizzata e trasformata per essere di continuo ceduta all'atmosfera, che a sua volta la reirradia verso la superficie a bassa temperatura (radiazione o controradiazione atmosferica). Questo meccanismo risulta chiaramente valutabile durante le ore notturne, quando più netto è l'irraggiamento terrestre: la differenza tra radiazione terrestre e controradiazione atmosferica è definita notturna e la maggior parte di essa (18%) si diffonde nello spazio nel campo dell'infrarosso (finestra infrarossa). Dai dati su accennati si può giungere a stabilire il bilancio termico terrestre, considerato nell'arco di tempo di un anno, che è essenziale per lo studio del clima, delle condizioni ambientali, dei fenomeni atmosferici e della vita stessa. Poiché lo scambio energetico dovuto all'apporto o alla fuga di radiazioni corpuscolari è del tutto trascurabile, come pure è trascurabile l'apporto del calore interno della Terra, i dati del bilancio si riducono alle radiazioni solari incidenti e a quelle riflesse o diffuse nello spazio dalla Terra. La radiazione solare assorbita viene, alla fine, dispersa nello spazio chiudendo il bilancio termico in pareggio: tale uguaglianza non è però qualitativa ma solo quantitativa a causa delle trasformazioni energetiche che la radiazione incidente subisce. Ovviamente, se il bilancio non fosse in pareggio, se cioè l'energia incidente fosse, per esempio per effetto di un aumento della costante solare, maggiore di quella dispersa nello spazio, l'energia in sovrappiù porterebbe a un riscaldamento e a un aumento della temperatura media globale della Terra.

Astronomia: radiazione cosmica di fondo

Radiazione elettromagnetica che pervade tutto l'Universo e che raggiunge la Terra in modo praticamente uguale da tutte le direzioni (ha cioè la proprietà dell'isotropia). Questa radiazione ha una composizione uguale a quella che sarebbe emessa da un corpo nero alla temperatura di 2,726 kelvin (cioè -270,274 C). Piccolissime disomogeneità della radiazione cosmica di fondo, prevista dalle teorie sulle origini dell'Universo sono state osservate e misurate esattamente negli anni Novanta e all'inizio del sec. XXI dagli osservatori astronomici orbitanti COBE (COsmic Background Explorer) e Wilkinson MAP (Microwave Anisotropy Probe ). La sua esistenza era stata prevista per via teorica negli anni Quaranta dal fisico G. Gamow, ma fu osservata per la prima volta nel 1964 da due ingegneri dei laboratori della società telefonica Bell, A. Penzias e R. Wilson, sotto forma di un disturbo uniforme delle antenne radio in studio alle frequenze delle radioonde. Questa radiazione non poteva essere attribuita in alcun modo al rumore degli strumenti e quindi doveva essere di origine extraterrestre. La sua scoperta casuale precedette di poco l'analoga ricerca che i fisici dell'Università di Princeton R.H. Dicke e P.J. Peebles stavano preparando per rivelare i resti della grande esplosione, o big-bang, da cui aveva avuto origine l'Universo, esplosione di cui rappresenta la prova principale. Nei primi istanti dell'Universo la materia, densissima e caldissima, si trovava in perfetto equilibrio termodinamico con la radiazione di altissima energia che lo pervadeva: la distribuzione dell'energia era quindi quella di un corpo nero ad altissima temperatura. Quando si formarono i primi atomi stabili, la materia e la radiazione, che prima erano accoppiate (cioè si trasformavano continuamente l'una nell'altra), si disaccoppiarono e seguirono ciascuna la propria strada. La distribuzione della radiazione restò quella di un corpo nero che rappresentava la situazione al momento del distacco: per così dire si fossilizzò e per questo la radiazione cosmica di fondo è anche detta fossile cosmologica. La materia cominciò a dar vita alle galassie primordiali e l'energia si distribuì in uno spazio sempre più grande man mano che l'Universo si espandeva. L'espansione implicava un raffreddamento, cioè alla diminuzione della temperatura del corpo nero corrispondente alla radiazione isotropa di fondo. Gamow aveva calcolato che, al tempo attuale dell'Universo, questa temperatura doveva essere quella di un corpo nero a circa 3 K. E 2,7 K fu proprio il valore trovato da Penzias e Wilson, con il picco della distribuzione delle lunghezze d'onda a 2,6 cm, cioè nella zona delle microonde (e quindi si parla anche di fossile a microonde). Tuttavia, per quanto uniforme, l'isotropia della radiazione del primo Universo non doveva essere assoluta perché la materia si potesse aggregare a formare le galassie. La lievissima anisotropia trovata da COBE e osservata ad altissima definizione prima dall'esperienza BOOMERANG (Balloon Observation Of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics) e poi da Wilkinson MAP, corrisponde a una fotografia dell'Universo in cui le macchie rappresentano le zone di formazione delle galassie.

Bibliografia

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