Indice della guida:
Perché il cielo è azzurro? Perché il sole è giallo?
Quando si è piccoli arriva sempre il momento in cui ci si pone questa domanda.
Il motivo sta tutto nelle lunghezze d’onda delle onde elettromagnetiche che compongono la luce del Sole.
Il colore azzurro del cielo e il colore giallo del Sole a mezzogiorno (e rosso al tramonto) sono dovuti all’interazione della luce proveniente dal Sole con l’atmosfera del nostro pianeta.
La luce del Sole è costituita dalla sovrapposizione di onde elettromagnetiche di diversa lunghezza.
Il Sole è un corpo molto caldo, la sua temperatura superficiale è approssimativamente di 5700 gradi nella scala assoluta delle temperature (scala Kelvin). Il Sole emette luce (cioè onde elettromagnetiche) di varie lunghezza d’onda.
I nostri occhi sono sensibili solo ad una parte delle onde elettromagnetiche emesse dal Sole. La luce visibile, quella che i nostri occhi percepiscono, varia da una lunghezza d’onda da 380 nm a 720 nm. (Il simbolo nm è la sigla che indica una unità di misura della lunghezza: il nanometro. Un nanometro = 10-9 metri corrisponde ad un miliardesimo di metro.)
La radiazione di lunghezza d’onda più piccola dello spettro visibile (380nm) è quella che i nostri occhi percepiscono di colore viola, quella all’estremità opposta dello spettro visibile (720nm) è invece da noi percepita con colore rosso. Dal viola si arriva al rosso passando per il blu, il verde, il giallo e l’arancio. Il nostro apparato visivo ha tre ricettori nella retina sensibili principalmente alle lunghezze d’onda corrispondenti al rosso, al verde e al blu.
La luce solare fu per la prima volta scomposta da Newton in un suo famoso esperimento con il prisma. A questa scomposizione ognuno di noi ha assistito, quando ci è capitato di osservare nel cielo un arcobaleno.
La luce del Sole (o meglio la radiazione solare) rappresenta quindi l’insieme di onde elettromagnetiche che hanno lunghezze differenti e che interagiscono in modi diversi con gli elementi che incontrano durante il loro cammino verso la Terra. La lunghezza delle onde è ciò che ci permette di distinguere i diversi colori ed in fisica viene chiamato spettro visibile.
Nel dettaglio:
Violetto 380 – 450 nm
Blu 450 – 475 nm
Ciano 476 – 495 nm
Verde 495 – 570 nm
Giallo 570 – 590 nm
Arancione 590 – 620 nm
Rosso 620 – 750 nm
Lo spazio è assolutamente nero. Le stelle sono sempre visibili. Il Sole (il nostro Sole) è sempre assolutamente bianco.
Perché? Perché lo spazio è vuoto e nulla diffonde o scompone la luce solare.
Per arrivare ai nostri occhi le onde devono attraversare l’atmosfera terrestre, composta essenzialmente di azoto ed ossigeno in percentuali rispettivamente del 78% e del 21%. Il restante 1% è composto da argon, acqua (nelle varie forme: gassosa (vapore), liquida (goccioline) e solida (cristalli)) e – negli stati più bassi dell’atmosfera – da polveri, ceneri e sali.
È l’atmosfera terrestre che fa azzurro il cielo. Se non ci fosse l’atmosfera vedremmo il cielo sopra di noi come nello spazio, assolutamente nero.
Nel tentativo di passare oltre ai vari strati di atmosfera, la luce emessa dal Sole si scontra con queste componenti e viene assorbita o diffusa. In quest’ultimo caso parliamo di scattering elastico, quel processo per il quale due particelle collidono modificando la propria traiettoria.
Lo scattering di Rayleigh
Secondo quanto definito dallo scattering di Rayleigh, che prende il nome dal fisico che lo scoprì, il Premio Nobel John William Strutt Rayleigh, se ciò contro cui si scontrano le particelle è più grande della lunghezza d’onda della luce, queste si diffondono uniformemente in tutte le direzioni, ma se le particelle risultano più piccole della lunghezza d’onda della luce (come nel caso delle molecole di gas) la situazione varia a seconda della singola lunghezza d’onda, o per meglio dire, la quantità di luce diffusa è inversamente proporzionale alla quarta potenza della lunghezza d’onda: più la lunghezza d’onda è minore, maggiore sarà la sua diffusione.
Le particelle solide e le gocce d’acqua hanno dimensioni maggiori della lunghezza d’onda della luce e quindi la riflettono in tutte le direzioni (indipendentemente dalla lunghezza d’onda). La luce bianca del Sole, in questo caso, è diffusa senza essere scomposta: ecco perché le nuvole ci appaiono bianche.
Considerando la legge di Rayleigh, la luce di maggiore lunghezza d’onda (rossa, arancione e gialla) riesce a superare questi minuscoli ostacoli e prosegue nella sua traiettoria rettilinea. La luce blu invece, che ha una lunghezza d’onda più piccola, viene diffusa in tutte le direzioni. Dopo una serie di diffusioni tutta la luce blu è diffusa. Le lunghezze d’onda corrispondenti al blu irradiano l’atmosfera coprendo le stelle.
Questo processo avviene negli stati più alti dell’atmosfera. In una giornata senza nubi quindi, in qualunque direzione volgiamo il nostro sguardo, la luce blu diffusa dai gas in alta atmosfera raggiunge i nostri occhi. Questo spiega il perché il cielo ci appare azzurro. Per questa stessa ragione la luce proveniente direttamente dal Sole diviene più gialla.
Viene da chiedersi perché non lo vediamo violetto, visto che in realtà la lunghezza d’onda minore corrisponderebbe a questo colore.
Il motivo risiede nel nostro occhio che è più sensibile alla lunghezza d’onda corrispondente al blu. In realtà, l’azzurro che vediamo è una media pesata tra il violetto, il blu e il verde.
È sempre il processo di diffusione che spiega anche perché, al tramonto, l’orizzonte si colora di rosso.
Al tramonto i raggi solari sono radenti gli strati dell’atmosfera. La luce blu viene diffusa dai gas presenti negli strati più alti. La luce radente attraversa un grande spessore di atmosfera e solo la luce rossa penetra fino a raggiungere gli stati dove viene parzialmente diffusa dalle particelle solide presenti, colorando quindi il cielo e le nubi, nella direzione del Sole, di arancio, rosso e talvolta rosa.
Anche il Sole appare rosso e non più giallo poiché appunto solo la luce rossa riesce a penetrare e raggiungere il nostro occhio.
In conclusione non è detto che il cielo sia sempre più blu.
Sulla nostra Luna (come su ogni pianeta o satellite senza atmosfera) il cielo è nero e il Sole assolutamente bianco, dall’alba al tramonto.
Francesca Sbarbati, 13 gennaio 2021