La quadricromia nelle riprese di Marte

La quadricromia nell’elaborazione delle riprese del pianeta Marte
di Dario Castellano
Introduzione
Da pochi mesi il pianeta Marte è transitato alla sua minima distanza dalla Terra, sfiorando i 20″ d’arco di diametro. Molti gli astrofili che si sono cimentati nelle riprese e nell’elaborazione digitale delle immagini marziane.
Ma quali tecniche hanno usato? Di seguito vedremo la tecnica della quadricromia, applicata nella ripresa digitale del pianeta Marte, mediante rilevatori a stato solido (CCD) di webcam o telecamere B/N.
L’uso del famoso “ovetto bianco” (la webcam per l’appunto) è una tecnica ormai ben affermata nel mondo degli astronomi dilettanti su scala mondiale ed è, sicuramente, usata per la ripresa dei soli corpi più luminosi del sistema solare.
Marte, il CCD e lo spettro elettromagnetico
Nella seconda metà del 1600 Newton scoprì che un raggio di luce solare (di colore bianco) attraversando un prisma veniva scomposto nei colori dell’arcobaleno. Nasce il concetto della dispersione dei colori. Oggi sappiano che qualsiasi raggio di luce bianca, fatto passare attraverso un mezzo con indice di rifrazione n’ diverso dal mezzo in cui è partito il raggio stesso, subisce una rifrazione ed una dispersione. Nel caso in cui il raggio sia monocromatico (un solo colore), esso subirà solo una rifrazione in accordo con la legge di Snell, per cui si ha:

Se ci dotiamo di un mezzo rifrangente (una lente ad esempio) e di un raggio di luce bianca (un raggio di sole) siamo in grado di osservare la dispersione dei colori su di uno schermo libero di muoversi lungo l’asse ottico della lente. In particolare si nota facilmente che ogni colore (e quindi ogni lunghezza d’onda) viene focalizzato in un punto ben preciso dell’asse ottico e diverso per ogni colore dello spettro.

Nella luce visibile, spettro elettromagnetico tra i 400 (violetto) e i 700 (rosso) nm, il violetto viene focalizzato prima del rosso, cioè il violetto subisce un maggior angolo di rifrazione ad opera del mezzo rifrangente, la lente nel nostro caso.
In un telescopio rifrattore immaginario, formato da una sola lente, ogni colore viene focalizzato in un punto diverso; fenomeno conosciuto come “aberrazione cromatica” e che viene contenuto (e non del tutto eliminato) nel telescopi acromatici con obiettivo a due lenti. Nei rifrattori acromatici due colori sono portati a focalizzare nello stesso punto dell’asse ottico, nei telescopi apocromatici, poi, addirittura tre colori vengono focalizzati in un sol punto. I telescopi formati da solo specchi, sono esenti da aberrazione cromatica e dunque meglio apprezzati ma, i raggi luminosi non subiscono una sola rifrazione attraverso le lenti obiettivo.
L’atmosfera terrestre si comporta come un mezzo rifrattivo composto da diverse molecole. I raggi luminosi che attraversano questo strato urtano contro queste molecole (scattering) in accordo ad una legge molto simile a quella di Snell dove, ancora una volta, i raggi violetti subiscono una deviazione maggiore dei raggi rossi.

Estendendo il concetto ai raggi UV e IR (posti subito prima e subito dopo la radiazione visibile) abbiamo un quadro generale di come si comporta la radiazione elettromagnetica che ci interessa dal punto di vista amatoriale.

Da quanto sopra, ne deriviamo anche intuitivamente che i raggi rossi ed infrarossi, subendo una minore deviazione, risentono meno del seeing atmosferico; le riprese in questa banda spettrale sono infatti più “ferme” delle riprese nella banda blu e ultravioletta.
Un’altra variabile da considerare è la lunghezza d’onda del colore che corrisponde una cerca “profondità” nella ripresa dei pianeti; quando osserviamo un pianeta ne stiamo osservando in realtà l’atmosfera (questo succede anche per Marte). A lunghezze d’onda corte (ca. 400 nm quindi blu) si riprendono gli strati più alti dell’atmosfera e così via fino a lunghezze d’onda rosse ed infrarosse (ca. 700-1000 nm) dove riprendiamo gli strati atmosferici più vicini alla superficie del pianeta. Nel caso di Marte, nella ripresa del canale blu i dettagli visibili sono esclusivamente atmosferici: nebbie, nuvole d’alta quota e brine soprattutto quelle mattutine in prossimità del terminatore, nella ripresa infrarossa invece, i dettagli sono tutti di superficie e si notano le famose “macchie d’albedo”, caratteristica della riflessione delle varie regioni della superficie marziana.
Quadricromia L(IR)RGB
La quadricromia è un espediente nell’elaborazione digitale; viene utilizzata una ripresa prevalentemente estetica e non ha alcuna valenza scientifica; concettualmente è semplice da eseguire: si riprendono due video del pianeta Marte, il primo a colori con il filtro IR-cut (ripresa a colori) e il secondo in b/n con un filtro IR-pass (ripresa monocromatica nell’infrarosso) per i dettagli della superficie. Dopo la riduzione e l’elaborazione delle due riprese, abbiamo due immagini, una a colori RGB ed una monocromatica nell’IR, cioè nella prima abbiamo i colori del pianeta e nella seconda i dettagli del pianeta. Mediante un software di elaborazione si allineano entrambe le riprese sul disco del pianeta e si esegue la sintesi LRGB , insomma si costruisce un immagine in cui vengono messe insieme tre e/o quattro lunghezze d’onda diverse per renderla gradevole al sistema occhio/cervello.
Il risultato è una ripresa coi colori originali del pianeta ripresi in RGB ma con i dettagli della ripresa monocromatica IR.

20051025_ut_2330_mars_ruoc — sempio di quadricromia sul pianeta Marte

Curiosità
È regola, quando si esegue una quadricromia, allegare all’immagine LRGB le singole riprese nei diversi canali R, G, B e IR in modo da farsi un’idea di come appare il pianeta alle diverse lunghezze d’onda.