Il cielo è sempre più blu… o no?

Azzurro è il pomeriggio, il cielo è sempre più blu… La nostra musica ci ha abituato all’idea che il cielo sia blu. Ma è davvero così? In realtà il colore del cielo dipende da una moltitudine di fattori, principalmente la composizione dell’atmosfera e l’altezza del sole sull’orizzonte, e può assumere svariate tonalità dal blu al rosso, dal giallo al marrone.

Alla domanda “di che colore è il cielo”, quanti non risponderebbero “blu”? Siamo abituati a pensare al cielo come a un oggetto di colore blu o azzurro, almeno in condizioni di assenza di nubi e buona illuminazione solare. In realtà il colore del cielo dipende da svariati fattori, cambiando in continuazione nel corso di una giornata e tra una zona e l’altra della semisfera celeste, per cui la risposta più giusta sarebbe forse “nessuno”.

Il colore del cielo dipende innanzitutto dalla composizione dell’atmosfera. Tralasciando il polline, tutte le particelle prodotte dall’inquinamento, la cenere generata da eruzioni vulcaniche, la polvere prodotta da attività antropiche e così via, si può considerare l’atmosfera come una miscela di gas perfetti (cioè non interagenti tra loro). L’azoto è il più abbondante (78%), il secondo è l’ossigeno (21%), il terzo è l’argon (0,9%), poi seguono anidride carbonica, neon, elio, metano in proporzioni via via minori. Il vapore acqueo merita un discorso a parte: la sua proporzione è talmente variabile da oscillare tra lo 0% e il 4% a seconda della regione e del clima.

Il colore del cielo dipende poi dalla radiazione solare in arrivo dallo spazio. Il Sole ci manda radiazione elettromagnetica in uno spettro di lunghezze d’onda molto ampio (vedi schema sottostante), ma la maggior parte di questa radiazione cade in una regione molto piccola dello spettro, che è quella della radiazione visibile all’occhio umano (lunghezze d’onda tra 400 e 700 nanometri circa). Questo non è casuale: l’occhio umano si è evoluto in maniera da essere sensibile proprio al tipo di radiazione più abbondante in natura.

Spettro della radiazione elettromagnetica.

I componenti dell’atmosfera interagiscono con la luce solare in maniera diversa a seconda della loro dimensione e forma. Particelle di polvere, pulviscolo, cenere, polline e goccioline d’acqua sono molto più grandi delle lunghezze d’onda della radiazione visibile e perciò la riflettono in tutte le direzioni. I gas atmosferici invece, essendo molto più piccoli, interagiscono molto meno con la luce solare, che attraversa l’intera atmosfera più o meno indisturbata. Nel caso dei gas, però, l’interazione cambia radicalmente a seconda della lunghezza d’onda, seguendo quella che è nota come legge di Rayleigh dello scattering o diffusione. La legge di Rayleigh afferma che la luce viene diffusa – cioè riflessa – proporzionalmente all’inverso della quarta potenza della lunghezza d’onda: in altre parole, molto di più per onde corte (luce blu e violetta) che per quelle lunghe (luce rossa e arancione), come mostrato nello schema qui sotto.

Schema dello scattering o diffusione di Rayleigh: la luce visibile di lunghezza d’onda corta (blu, violetto) viene riflessa maggiormente dai gas che compongono l’atmosfera rispetto a quella di lunghezza d’onda più lunga.

La luce rossa, arancione, gialla attraversa quindi l’atmosfera quasi indisturbata per venire poi assorbita dal suolo, mentre quella blu e violetta viene riflessa in gran parte dalle molecole dei gas atmosferici. Noi osserviamo proprio questa radiazione riflessa ed è per questo che il cielo (sereno) ci appare blu. Il lettore attento si domanderà perché il cielo non appaia violetto, visto che la luce violetta dovrebbe venire riflessa ancora più di quella blu secondo la legge di Rayleigh. Vero, ma il Sole emette meno luce violetta che blu (il massimo della sua emissione si ha intorno al color giallo-verdino) per cui alla fine predomina il blu.

La legge di Rayleigh spiega il colore del cielo in diverse situazioni. Per esempio, il sole appare di color giallino proprio perché la luce blu arriva in minor proporzione ai nostri occhi, essendo stata riflessa dai gas atmosferici. Un ragionamento simile spiega perché invece al tramonto il cielo appaia rossiccio (vedi foto sottostante): i raggi solari attraversano l’atmosfera radenti al suolo, per cui la porzione attraversata risulta molto più ampia che a mezzogiorno, tanto che la luce di lunghezza d’onda minore (violetta, blu, verde) viene riflessa quasi completamente in altre direzioni e ai nostri occhi arriva solo quella rossa, arancione e gialla.

Il cielo al tramonto appare rossiccio nelle vicinanze dell’orizzonte.

Qualche lettore avrà osservato che in una giornata serena, nelle vicinanze dell’orizzonte, il cielo appaia di un azzurro più chiaro, quasi bianco (vedi foto qui sotto). I raggi di luce provenienti da questa direzione attraversano un’ampia porzione di atmosfera così come al tramonto, ma in questo caso predomina un tipo diverso di diffusione, detto scattering di Mie. Esso spiega l’interazione della luce con particelle ben più grandi delle molecole dei gas atmosferici, quali pulviscolo, aerosol e goccioline d’acqua: in questo caso tutte le lunghezze d’onda vengono riflesse allo stesso modo, per cui il cielo ci appare del colore risultante che è il bianco.

Il cielo appare più bianco che blu nelle vicinanze dell’orizzonte.