Perché la Luna si può vedere anche di giorno? La spiegazione scientifica

Data la sua vicinanza alla Terra, la Luna domina il cielo notturno proiettando ombre in prossimità dei giorni di Luna piena. Talvolta vi sarà però capitato di vedere la Luna anche di giorno e quindi di chiedervi: perché la Luna è visibile anche di giorno?

Il motivo è strettamente legato al confronto tra il valore della brillanza superficiale della Luna e quella del cielo diurno. La brillanza superficiale è una grandezza usata dagli astronomi per esprimere quanto è luminoso un corpo celeste esteso per unità di area angolare che occupa nel cielo. Se la brillanza superficiale di un oggetto è confrontabile con quella del cielo, o superiore, allora l'oggetto risulta visibile a occhio nudo. In caso contrario l'oggetto è visibile solo tramite strumenti di osservazione.

La brillanza superficiale della Luna dipende da una combinazione di vari fattori, tra cui quanta radiazione luminosa proveniente dal Sole viene riflessa dalla Luna verso la Terra, quanta area in cielo occupa la Luna nelle sue varie fasi e la posizione relativa tra la Terra, la Luna e il Sole. Data la sua definizione, per poter calcolare la brillanza superficiale della Luna e confrontarla con quella di una stessa area del cielo diurno o notturno, abbiamo bisogno di sapere quanta radiazione luminosa proviene dalla Luna e quale è l'area in cielo occupata dalla Luna.

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Calcoliamo la brillanza superficiale della Luna

La Luna, come tutti i corpi del Sistema Solare escluso il Sole, non emette luce visibile, ma riflette la radiazione emessa dal Sole. Questo implica che la luce che osserviamo provenire dalla Luna è la stessa che proviene dal Sole, ma rimodulata dalla riflessione sulla superficie lunare e dal passaggio attraverso l'atmosfera terrestre. Per poter calcolare la quantità di luce che osserviamo provenire dalla Luna abbiamo quindi bisogno di due ingredienti: quanta luce solare incide sulla superficie lunare e la frazione di questa luce che viene riflessa.

La quantità di luce solare che incide sulla superficie della Luna o ogni altro corpo del Sistema Solare ad una certa distanza dal Sole si calcola conoscendo la luminosità del Sole, cioè quanta energia ogni secondo esso produce, e la distanza dell'oggetto dal Sole stesso. Più ci si allontana dal Sole, meno energia luminosa incide su di un corpo celeste, diminuendo con l'inverso del quadrato della distanza dal Sole.

Gli astronomi sono soliti indicare la luminosità apparente di un oggetto celeste in unità di magnitudini, una unità legata alla quantità di energia prima esposta attraverso il logaritmo in base 10 e un fattore -2,5. Maggiore è il valore della magnitudine, meno luminoso è un oggetto. Il Sole ha una magnitudine pari a circa -26,74 da Terra, per cui, visto che la distanza della Terra e della Luna dal Sole è simile, possiamo assumere con buona approssimazione questo valore come valido anche per la Luna.

La seconda quantità che ci interessa è la frazione della luce incidente sulla Luna che viene riflessa verso l'esterno. Questa quantità dipende direttamente dalla composizione della superficie dell'oggetto e dalla presenza o meno di atmosfera. La Luna nel complesso riflette mediamente il 14% della luce che giunge sulla sua superficie.

La combinazione di quantità di luce riflessa e ricevuta dal Sole permette di ottenere un valore approssimativo della magnitudine apparente della Luna, che, nel caso di Luna piena, risulta essere di –12,74, ovvero 400mila volte meno brillante del Sole.

L'area occupata dalla Luna in cielo

È esperienza comune osservare come la Luna sia, insieme al Sole, l'oggetto che a occhio nudo ha l'estensione angolare maggiore in cielo. Considerando solamente la parte illuminata, l'area occupata in cielo varia a seconda delle fasi lunari, che seguono un ciclo di 29,5 giorni terrestri.

L'area angolare occupata in cielo dalla Luna è calcolabile utilizzando la semplice trigonometria nota la distanza media Terra-Luna, 384.400 km in media, e il diametro della Luna, pari 3474 km. L'area massima, in corrispondenza della fase di Luna piena, ha un diametro angolare di 0,52 gradi, quindi vale circa 0,21 gradi quadrati.

Il confronto col cielo diurno e notturno

Conoscendo l'area occupata in cielo e la magnitudine apparente della Luna possiamo calcolare la sua brillanza superficiale, che va da 3,5 a 6 magnitudini per arcosecondo quadrato nel visibile (1 grado è pari a 3600 arcosecondi). Questi valori di per se non dicono nulla se non sono confrontati ai medesimi valori per il cielo diurno o il cielo notturno.

Il cielo diurno, lontano dalla posizione occupata in cielo dal Sole, ha una brillanza superficiale di circa 4 magnitudini per arcosecondo quadrato. Confrontando questo dato con i valori per la Luna possiamo notare come le due brillanze superficiali abbiano valori confrontabili, dando così una spiegazione quantitativa al perché la Luna risulta spesso essere visibile anche di giorno. Il cielo notturno ha invece una brillanza superficiale che, nel caso di un cielo cittadino, è circa pari a 18 magnitudini per arcosecondo al quadrato. Siccome un valore più alto corrisponde a un oggetto meno brillante, il cielo notturno risulta essere molto più debole rispetto alla Luna nelle sue varie fasi e di conseguenza la Luna risulta essere sempre chiaramente visibile.

L'importanza delle fasi lunari

È importante aggiungere a questo discorso anche una precisazione che riguarda le fasi lunari. La Luna è visibile di giorno principalmente in prossimità delle fasi di primo quarto e ultimo quarto. Il motivo è legato alla posizione in cielo della Luna relativamente a quella del Sole.

Quando la Luna è nuova, la sua posizione in cielo, per definizione, è in longitudine coincidente con quella del Sole. Inoltre, la faccia rivolta verso di noi è in completa ombra, di conseguenza essa risulta invisibile a occhio nudo da Terra. Man mano che la Luna si allontana dalla fase nuova, la sua distanza angolare dal Sole aumenta gradualmente. Inizialmente la Luna continua a non essere visibile durante il giorno poiché, essendo ancora relativamente "vicina" al Sole, si trova in una posizione in cui il cielo ha una brillanza superficiale molto superiore a quella della Luna stessa.

In corrispondenza della fase di primo quarto, la distanza angolare della Luna dal Sole aumenta abbastanza da far si che, nei pressi della sua posizione, il cielo abbia un valore della brillanza superficiale che è confrontabile a quello della Luna, rendendola così visibile di giorno.

Giunti nella fase di Luna piena, si ritorna però a una situazione in cui la Luna è visibile solo di notte, poiché la posizione in cielo della Luna è di 180 gradi opposta a quella del Sole. Di conseguenza essa risulta visibile in cielo solo quando il Sole è già tramontato. Dopo il plenilunio, nella fase di ultimo quarto, la situazione è analoga a quella del primo quarto e pertanto anche in questa fase la Luna può essere visibile di giorno.