Perché il cielo ha quel colore?

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Continua la nostra rubrica curata dall’esperto Andrea Massafra. Se avete delle curiosità scientifiche potete indirizzare le vostre domande a redazione@lsdmagazine.com

Osservando il cielo, al tramonto, durante il giorno o all’alba, nasce talvolta spontaneo chiedersi come mai, a seconda dell’ora e della direzione in cui si guardi, cambi il colore del cielo.
La luce visibile proveniente dal sole è il risultato della sovrapposizione di onde elettromagnetiche con lunghezza d’onda (λ) compresa tra i 360 nm della radiazione Ultravioletta, seguita dal blu, il verde, il giallo, l’arancio fino ai 720 nm percepita dall’occhio umano come colore rosso (1 nanometro (nm) equivale ad un miliardesimo di metro (m)). L’1% dell’atmosfera terrestre è costituito da gas come l’argon c’è poi vapore acqueo, cristalli di ghiaccio, polveri di cenere vulcanica e sali marini; com’è noto il 21% è ossigeno e il restante 78% è costituito da azoto. Che cosa succede quando questa radiazione elettromagnetica interagisce con l’atmosfera terrestre? Gli effetti di tale interazione dipendono dalla lunghezza d’onda della radiazione incidente e dalle dimensioni dell’oggetto su cui essa incide, quindi, da come quest’ultimo la diffonde. E’ possibile immaginare un’onda elettromagnetica nel modo più intuitivo. L’idea di lunghezza d’onda, invece, si può pensare come la distanza tra due punti dell’onda che raggiungono la stessa altezza. Il pulviscolo atmosferico, i cristalli di ghiaccio o il vapore acqueo hanno dimensioni molto più grandi delle onde elettromagnetiche e pertanto queste non riuscendo ad oltrepassale, vengono diffuse in tutte le direzioni. Le dimensioni delle molecole di gas, invece, interagiscono diversamente con la radiazione elettromagnetica: le molecole di ozono che costituiscono lo strato più inferiore della stratosfera, l’ozonosfera, schermano e riflettono nello spazio gran parte della radiazione, pertanto la quantità di raggi ultravioletti (λ =360 nm) che raggiunge la superficie terrestre è notevolmente inferiore a quella che è presente negli strati più alti dell’atmosfera; la luce blu (λ > 360nm) , viene riflessa in tutte le direzioni perché la sua lunghezza d’onda è confrontabile con le dimensioni delle molecole con cui interagisce. La scoperta che dimostra che le molecole e non il pulviscolo atmosferico sono responsabili della schermatura dei raggi ultravioletti, si deve ad Albert Einstein (1911). La luce rossa ( con λ =720 nm) ha invece una lunghezza d’onda tale da interagire in misura inferiore, rispetto ai raggi UV, con queste molecole ed è pertanto libera di progarsi lungo la direzione iniziale.

Verso la metà dell’800 un Lord inglese, il fisico John Rayleigh, formalizzò il problema finora descritto: la diffusione della radiazione elettromagnetica da parte di un elettrone legato,. La formula, nota appunto come diffusione (scatering) Rayleigh, afferma che la quantità di luce diffusa da un elettrone legato in una particolare direzione è inversamente proporzionale alla quarta potenza della lunghezza d’onda della radiazione incidente su di esso. La luce blu è diffusa circa 16 volte più intensamente della luce rossa, che avendo una lunghezza d’onda maggiore, insieme alla luce gialla e arancione, risente solo in minima parte della presenza dell’aria. Pertanto in qualsiasi direzione si guardi, il colore blu è presente, poiché è diffuso ovunque, motivo per cui in una bella giornata di sole il cielo appare blu. Osservando l‘orizzonte poi, si nota un azzurro più chiaro, questo perché la radiazione per giungere all’occhio, deve attraversare uno strato maggiore di aria e quindi viene diffusa maggiormente. All’alba o al tramonto, guardando nella direzione del sole, la luce che raggiunge l’occhio ha attraversato un grande spessore di aria. Il blu è stato diffuso via via più intensamente del rosso, che resta quindi in questi casi, il colore dominante. Infine, perché le nuvole sono bianche? Una nuvola è costituita da cristalli di ghiaccio e goccioline d’acqua, che come detto in precedenza diffondono la radiazione in tutte le direzione indipendentemente dalla lunghezza d’onda, il risultato è una sovrapposizione di onde elettromagnetiche che l’occhio umano percepisce come bianco.