Perché il cielo ci appare blu e non viola?
Non tutti sanno cosa si cela dietro il cielo blu che osserviamo quasi quotidianamente. Ecco il complesso processo fisico che rende il cielo di blu intenso.
Sembra una cosa scontata che ci accompagna tutti i giorni. Eppure dietro il colore blu del cielo si cela un affascinante gioco di elementi, fra la luce del nostro sole e l’atmosfera terrestre, composta di ossigeno e azoto.
Per capire tutto questo dobbiamo partire dal sole e dal modo in cui interagisce con l’atmosfera terrestre, quindi l’aria che respiriamo ogni giorno.
La luce bianca del sole
Il sole emette luce bianca, che in realtà è una miscela di tutti i colori visibili, fra rosso, arancione, giallo, verde, blu e viola. Ogni colore corrisponde a un’onda elettromagnetica con una frequenza (e quindi un’energia) diversa.
Quando la luce bianca del sole entra nell’atmosfera, incontra le molecole di azoto e ossigeno, ed altri gas, presenti nella nostra atmosfera. Queste molecole non assorbono la luce in modo significativo, ma la diffondono in tutte le direzioni. Da questa diffusione in tutte le direzioni nasce il fenomeno dello scattering.
Lo scattering di Rayleigh e la prevalenza del blu
Non tutti i colori vengono diffusi allo stesso modo. La probabilità di scattering è inversamente proporzionale alla quarta potenza della lunghezza d’onda. I colori con lunghezza d’onda più corta (e quindi frequenza ed energia più alte) vengono diffusi molto di più. La luce blu viene diffusa circa dieci volte di più rispetto alla luce rossa.
Giusto per fare un esempio, dobbiamo immaginare che per ogni colore arrivino 10 raggi di luce. Quelli rossi e arancioni attraversano l’atmosfera quasi indisturbati, proseguendo dritti verso il suolo. I raggi blu, invece, sbattono ripetutamente contro le molecole di ossigeno e azoto, deviando la loro traiettoria.
Questo fa sì che le molecole assorbano temporaneamente l’energia della luce blu e la riemettano in tutte le direzioni, come in un gigantesco flipper luminoso. Il risultato è che il cielo, quando guardiamo verso l’alto, ci appare blu perché stiamo vedendo proprio questa luce diffusa proveniente da ogni direzione.
Perché non vediamo il viola?
La luce viola ha una lunghezza d’onda ancora più corta della blu e quindi dovrebbe diffondersi ancora di più. In teoria è vero, ma nella pratica il cielo non è viola perché il sole emette molta meno luce viola rispetto alla luce blu. Lo spettro solare ha un picco nell’area del verde e del giallo e diminuisce sensibilmente verso il viola.
Di conseguenza, anche se il viola viene diffuso con maggiore efficienza, la quantità totale di luce viola diffusa rimane inferiore a quella blu. Il blu, quindi, domina il cielo.
Il rosso del tramonto, il viaggio più lungo
Il fenomeno si capisce ancora meglio al tramonto. Quando il sole è alto nel cielo, la luce percorre uno strato relativamente sottile di atmosfera prima di arrivare ai nostri occhi. Quando invece il sole è vicino all’orizzonte, i suoi raggi devono attraversare uno spessore molto più vasto di aria.
In questo lungo tragitto, anche le lunghezze d’onda più lunghe (giallo, arancione) vengono progressivamente diffuse. Rimangono soprattutto i rossi e gli arancioni, che sono meno soggetti allo scattering. Ecco perché il cielo e il disco del sole assumono tonalità calde, dal giallo-arancione al rosso intenso.
Lo stesso meccanismo spiega l’aspetto del sole durante il giorno. Quando è alto nel cielo appare bianco-giallastro perché gran parte della luce blu è diffusa altrove (colorando il cielo), ma non è ancora stata rimossa tutta la componente gialla. Al tramonto, con lo scattering estremo, resta prevalentemente il rosso.