Un cielo azzurro a mezzogiorno e un tramonto che tinge l'orizzonte di arancione e rosso sembrano due spettacoli diversi. In realtà hanno la stessa origine: il modo in cui la luce del Sole interagisce con l'atmosfera terrestre. Il fenomeno principale si chiama diffusione di Rayleigh e spiega perché il colore del cielo cambia quando cambia la posizione del Sole.
La luce del Sole è bianca, ma contiene molti colori
Quando osserviamo la luce solare nel suo insieme, la percepiamo come bianca. In realtà contiene un intervallo continuo di lunghezze d'onda visibili: dal violetto e dal blu, con onde più corte, fino all'arancione e al rosso, con onde più lunghe. Un prisma può separare questi colori, ma non serve un prisma perché la luce venga modificata: anche l'aria lo fa.
L'atmosfera è formata soprattutto da azoto e ossigeno, insieme a quantità minori di altri gas, vapore acqueo e particelle sospese. Quando la luce attraversa questo ambiente, una parte prosegue quasi indisturbata, mentre un'altra viene diffusa in direzioni differenti.
Perché il cielo appare blu: la diffusione di Rayleigh
Le molecole dei gas atmosferici sono molto più piccole delle lunghezze d'onda della luce visibile. In queste condizioni domina un meccanismo chiamato diffusione di Rayleigh, dal nome del fisico che ne descrisse le proprietà.
La sua caratteristica fondamentale è che le lunghezze d'onda corte vengono diffuse molto più intensamente di quelle lunghe. In termini semplificati, l'intensità della diffusione cresce all'incirca come l'inverso della quarta potenza della lunghezza d'onda: per questo il blu viene deviato molto più del rosso.
Quando guardiamo una porzione di cielo lontana dal disco solare, vediamo soprattutto luce che è stata deviata dalle molecole dell'aria fino a raggiungere i nostri occhi. Poiché la componente blu è particolarmente efficace in questo processo, la volta celeste ci appare azzurra. L'aria, quindi, non possiede un pigmento blu: è il comportamento della luce a produrre il colore.
Se il violetto ha onde ancora più corte, perché il cielo non è viola?
È una domanda sensata: anche la luce violetta viene diffusa molto efficacemente. Ma il colore percepito dipende da più fattori. La distribuzione delle lunghezze d'onda presenti nella luce solare non è uniforme e l'occhio umano è meno sensibile al violetto rispetto a una parte importante della regione blu dello spettro.
La combinazione tra luce disponibile, diffusione atmosferica e sensibilità visiva porta così a un cielo che descriviamo normalmente come blu, non viola. Le sfumature possono comunque cambiare a seconda dell'altitudine, della limpidezza dell'aria e della posizione in cui guardiamo.
Perché all'alba e al tramonto il cielo diventa rosso?
Quando il Sole è alto, la luce che ci raggiunge attraversa un percorso atmosferico relativamente breve. Quando invece è vicino all'orizzonte, i suoi raggi devono percorrere una distanza molto maggiore attraverso l'aria.
Lungo questo tragitto aumenta la probabilità che la luce blu e violetta venga diffusa fuori dalla direzione che collega il Sole ai nostri occhi. La luce che continua ad arrivare direttamente da quella zona è quindi relativamente più ricca di componenti gialle, arancioni e rosse.
È per questo che il Sole basso può apparire aranciato o rossastro e che le nuvole illuminate dagli ultimi raggi possono assumere colori caldi. Non significa che il Sole cambi colore durante la giornata: cambia il filtro naturale attraversato dalla sua luce.
Polvere e inquinamento rendono sempre i tramonti più belli?
Non necessariamente. Polvere, aerosol, fumo e altre particelle sospese modificano la diffusione e possono, in determinate condizioni, intensificare alcune tonalità rosse e arancioni. Tuttavia un'atmosfera molto carica di particelle può anche rendere il cielo lattiginoso, opaco e meno spettacolare.
Il risultato dipende dalle dimensioni delle particelle, dalla loro concentrazione, dalla distribuzione nell'atmosfera e dalla presenza di nuvole. Un tramonto rosso, da solo, non è una misura affidabile della qualità dell'aria e non permette di dedurre automaticamente quanto sia inquinata una città.
Perché le nuvole sono bianche, se il cielo è blu?
Le nuvole sono composte da minuscole goccioline d'acqua e, a volte, cristalli di ghiaccio. Queste strutture sono molto più grandi delle singole molecole d'aria e diffondono la luce con meccanismi differenti, tra cui la diffusione di Mie.
In molte condizioni, i vari colori della luce visibile vengono diffusi in proporzioni abbastanza simili. Mescolandosi, raggiungono l'occhio come luce bianca: ecco perché una nuvola illuminata dal Sole appare spesso bianca.
Le nubi più spesse possono apparire grigie perché una quantità minore di luce attraversa la loro struttura fino alla parte inferiore. All'alba e al tramonto, invece, possono diventare rosa, arancioni o rosse perché sono illuminate da luce solare che ha già perso una parte importante della componente blu lungo il percorso atmosferico.
Perché il cielo vicino all'orizzonte è più chiaro?
Se guardiamo verso l'alto in una giornata limpida, il blu può apparire intenso. Verso l'orizzonte, invece, spesso diventa pallido o biancastro. La luce proveniente da quella direzione attraversa più aria prima di arrivare ai nostri occhi: subisce ulteriori diffusioni e si mescola con contributi luminosi di diverse lunghezze d'onda, riducendo la saturazione del blu.
In montagna, con aria particolarmente limpida e meno particelle sospese, il cielo sopra la testa può apparire di un blu più profondo. Fuori dall'atmosfera, dove mancano quasi del tutto le molecole necessarie a diffondere la luce, lo sfondo dello spazio appare nero anche quando il Sole illumina direttamente gli oggetti.
La stessa spiegazione vale anche su altri pianeti?
Il principio generale resta valido, ma il colore dipende dalla composizione e dalle particelle presenti nell'atmosfera. Marte, per esempio, ha un'atmosfera molto più sottile di quella terrestre e ricca di polveri: le immagini delle missioni spaziali mostrano cieli diurni spesso rossastri e tonalità bluastre vicino al Sole durante alcuni tramonti. Non tutti i mondi, quindi, devono avere il nostro cielo azzurro.
In conclusione: due colori, una sola fisica
Il cielo blu e il tramonto rosso non sono fenomeni opposti: sono due effetti dello stesso incontro tra luce e atmosfera. Durante il giorno osserviamo soprattutto la componente blu diffusa dalle molecole dell'aria; quando il Sole è basso, la luce diretta attraversa un tragitto più lungo e perde gran parte delle componenti corte. È una dimostrazione quotidiana di come la fisica possa trasformare una semplice giornata in uno spettacolo di colori.
