Perché il cielo è azzurro è una delle domande più frequenti. La risposta breve a questa domanda è: a causa dell’atmosfera terrestre e della luce solare. Se la Terra non avesse atmosfera, il cielo sarebbe nero di giorno come lo è di notte.
Il cielo è azzurro per oggi e nero per le notti. Ciò che distingue il giorno dalla notte è la luce solare che è assente di notte, perché allora siamo dalla parte della Terra che guarda lontano dal sole. Questo ci dà già il primo indizio di ciò di cui stiamo parlando: la luce del sole influisce sul colore del cielo.
La luce del sole e i colori
Il sole è bianco, così come i raggi del sole, che devono viaggiare da noi al sole per ben 150 milioni di chilometri (circa). Dire che il Sole è bianco può essere un po’ fuorviante perché il bianco non è realmente un colore, il che significa che non è solo un colore. È composto da molti colori (più professionalmente si può dire così: il bianco è un colore policromatico, costituito da una gamma continua di colori). Ecco cosa significa veramente.
I raggi di luce bianchi possono essere separati in uno splendido spettro di colori colorati utilizzando un dispositivo simile a un prisma. Questo è un fenomeno a lungo termine in cui la luce solare biancastra si scompone in uno spettro colorato di colori attraverso le gocce di pioggia.
Possiamo anche vedere la luce come un’onda, e per capire perché il cielo è blu, dobbiamo farlo. Quindi, in generale, la luce è un’onda (più formalmente: radiazione elettromagnetica) di una certa lunghezza (o frequenza).
Le onde di luce visibile (questo è ciò che il nostro occhio può rilevare e trasformare il nostro cervello in un’immagine) hanno lunghezze d’onda di circa 400-700 nanometri e, in questo contesto, il colore è solo determinate lunghezze d’onda. Ad esempio, la luce rossa ha una lunghezza d’onda da circa 625 a 740 nanometri, la luce verde ha una lunghezza d’onda da 500 a 565 nanometri, il blu ha una lunghezza d’onda da 380 a 440 nanometri e il viola ha una lunghezza d’onda da 380 a 440 nanometri.
Per quanto riguarda la domanda a cui stiamo rispondendo qui, è importante ricordare quanto segue:
- La luce blu e viola ha la lunghezza d’onda più bassa degli altri colori visibili della luce,
- Il sole attraversa lo spazio vuoto dirigendosi verso i nostri occhi fino a raggiungere l’atmosfera terrestre. E mentre lo attraversi, accadono cose interessanti che finiscono per far diventare il cielo azzurro.
Atmosfera della Terra
Qual è l’atmosfera terrestre in generale? Questo è il mantello terrestre, composto da vari gas (ed esiste perché la gravità terrestre è abbastanza forte da “legarli” a se stessa). Sappiamo tutti che uno di questi gas è l’ossigeno, di cui le persone hanno bisogno per vivere.
Ma molti sono sorpresi di apprendere che la maggior parte va all’azoto. La proporzione di ossigeno nell’atmosfera è di circa il 21% e di azoto fino al 78%. L’interazione della luce solare con le molecole di azoto e ossigeno nell’atmosfera rende il nostro cielo blu.
Dispersione dei raggi solari nell’atmosfera
Quando i raggi del sole entrano nell’atmosfera, passando senza ostacoli nello spazio aereo, iniziano a “scontrarsi” con le molecole di azoto e ossigeno. C’è un fenomeno che chiamiamo scattering, o scattering di Rayleigh (secondo Lord Rayleigh, che descrisse questo fenomeno nel 1871). Tale dispersione si verifica quando la dimensione delle particelle su cui è diffusa la luce è inferiore alla lunghezza d’onda di quella luce (e questo è vero per le molecole di azoto e ossigeno nell’atmosfera, che sono molto più piccole della lunghezza d’onda della luce solare visibile).
Ciò che è importante dello scattering di Rayleigh è che dipende dalla lunghezza d’onda o dal colore della luce: la luce a lunghezza d’onda corta disperde di più e la luce a lunghezza d’onda lunga disperde di meno (se, per caso, alla quarta potenza della lunghezza d’onda). Ad esempio, la tipica luce blu si disperde circa 5 volte più efficientemente della luce rossa.
Quando i raggi del sole attraversano l’atmosfera, i raggi viola si disperdono maggiormente, seguiti dai raggi blu. Questo può essere pensato come i colori viola e blu che “scappano” dalla luce solare bianca e si riorganizzano, cioè si disperdono nel cielo e raggiungono infine gli occhi, creando un’immagine colorata del cielo. Tuttavia, se il viola è più diffuso del blu, perché il cielo non è viola, ma bluastro?
Ci sono due ragioni per questo. Innanzitutto, notiamo che ci sono meno colori viola nello spettro solare rispetto a quelli blu. In secondo luogo, gli occhi umani sono più sensibili al blu che al viola. Per questo il cielo finisce per apparirci azzurro. E se non ci fosse atmosfera, sarebbe nera, perché non ci sarebbero molecole a disperdere la luce solare nel cielo.
Perché il cielo è rosso all’alba e al tramonto?
All’alba e al tramonto, la luce del sole deve percorrere una distanza maggiore attraverso l’atmosfera rispetto a quando il sole è alto nel cielo per raggiungere i nostri occhi. In questo caso, la radiazione viola e blu viene diffusa più volte in direzioni casuali e alla fine non raggiunge i nostri occhi. E se ci sono molte particelle di polvere e smog in quello strato dell’atmosfera, la dispersione su di esse contribuirà ad arrossare ancora di più, creando splendidi tramonti.