PERCHE’ IL CIELO E’ AZZURRO?

(di Guglielmo Giani) – febbraio 2010

Perché il cielo è azzurro? Perché al crepuscolo possiamo osservare i colori più spettacolari che la natura ci può offrire? Da dove vengono i rosso cremisi, rosso vermiglio, gli arancioni tipici del tramonto o i porpora, i rosa che possiamo osservare all’alba?
Per millenni l’uomo si é interrogato sulla causa di questi fenomeni, Leonardo da Vinci per esempio aveva osservato come l’acqua nebulizzata creasse una luce diffusa ma senza riuscirne a spiegare il motivo. Dobbiamo arrivare fino alla metà del 1800 per trovare teorie che descrivano i fenomeni di diffusione della luce.
Fu John Tyndall (1820 – 1893), fisico inglese, a dimostrare in laboratorio che l’intensità della diffusione della luce da parte di particelle colloidali in sospensione è in funzione della lunghezza d’onda. Tali liquidi diffondevano di più le onde corte e molto meno le onde lunghe. Un esperimento che tutti possiamo realizzare in casa, é quello di versare qualche goccia di latte in un bicchiere di acqua e osservare come la luce del sole, diffusa dal liquido, appaia più gialla in direzione del sole e più blu perpendicolarmente alla direzione del sole. Questo avviene perché la soluzione degli acidi grassi del latte, acido palmitico e acido oleico, formano una soluzione colloidale quando sospesi in acqua. Il latte stesso é una soluzione colloidale, ma troppo densa per causare la diffusione di Tyndall.

Qualche anno più tardi Lord Rayleigh -John William Strutt, terzo barone di Rayleigh (1842-1919), teorizzò che non erano necessarie particelle diffuse in un fluido per diffondere la luce, dato che anche la sostanza più pura ha micro fluttuazioni delle densità localizzate che si comportano come particelle molto più piccole di una lunghezza d’onda della luce. Lord Rayleigh dimostrò che l’intensità della luce diffusa varia inversamente con la quarta potenza della lunghezza d’onda.

Diffusione di Rayleigh

Foto 1: Diffusione di Rayleigh - La Valletta, Malta

Quindi minore é la lunghezza d’onda della luce incidente maggiormente essa verrà diffusa, viceversa maggiore é la lunghezza d’onda più facilmente la luce riuscirà a viaggiare seguendo una linea retta senza disturbo. Per capire quanto vari la diffusione della luce fra gli estremi dello spettro del visibile: fatta 100 la quantità di luce violetta diffusa (onde corte≃380nm) la quantità di luce rossa diffusa (≃760nm) è 10,7.

Quindi cosa avviene quando la luce del sole raggiunge la terra? La luce solare attraversando l’atmosfera interagisce con singole molecole componenti l’atmosfera e con gruppi di molecole che vengono casualmente a formarsi e viene diffusa secondo la legge di Rayleigh. Le onde lunghe, che percepiamo come colori caldi, raggiungono direttamente il nostro occhio seguendo un linea retta, mentre le onde corte vengono diffuse più e più volte dall’atmosfera ed alla fine parte di esse raggiungono il nostro occhio. Il sole, che se osservato dallo spazio risulta bianco, visto dalla terra risulta giallastro perché la componente blu viene diffusa nella atmosfera dando al cielo la propria colorazione caratteristica. Questa é la causa del cielo azzurro.

Nel 1985 Craig Bohren e Alstair Fraser, dell’Università della Pennsylvania, hanno sollevato e poi risolto un’obiezione alla legge di Rayleigh. Se l’intensità della diffusione della luce nell’atmosfera é in funzione della lunghezza d’onda, il cielo dovrebbe apparirci violetto, colore all’estremo dello spettro e non blu. La risposta al loro quesito è data da due fattori. Il primo é che lo spettro solare é più intenso nel blu che nel violetto e il secondo é che l’occhio é maggiormente sensibile alla luce blu che a quella violetta. Questi due fattori moltiplicati insieme fanno si che l’intensità relativa della luce blu sia all’incirca 20 volte più intensa di quella violetta, di conseguenza per quanto la luce violetta possa essere diffusa di più di quella blu, i nostri occhi percepiranno sempre il cielo di colore blu.

Cosa avviene al tramonto?
Man mano che il sole si abbassa sull’orizzonte la luce solare deve attraversare una maggiore quantità di atmosfera, questo fa si che aumentino le probabilità che vengano diffuse anche onde più lunghe del blu. Più è lungo il tratto di atmosfera che la luce solare deve attraversare, più onde vengono diffuse: prima il blu e il violetto, poi il verde e infine il giallo, lasciando il sole di un rosso aranciato.
La legge di Rayleigh funziona perfettamente per particelle molto più piccole di una lunghezza d’onda ma non é in grado di descrivere quello che succede alla luce quando deve attraversare una sostanza con in sospensione particelle molto più grandi di una lunghezza d’onda, in questo caso si applica una teoria derivata dal fisico tedesco Gustav Mie (1869 – 1957).

Diffusione di Mie

Foto 2: Diffusione di Mie causata da formazione di cumuli mediocris - Swifts Creek, Australia

La diffusione di Mie é molto più complessa della diffusione di Rayleigh: la luce é diffusa in un cono proiettato in avanti e non ha un colore dominante ma sono presenti bande di diversi colori, anche verde e rosso, in base all’angolo di osservazione e alla dimensione delle particelle. Se le particelle in sospensione sono molto più grandi di una lunghezza d’onda si ha una diffusione generale della luce che crea il caratteristico bagliore bianco delle nuvole e della nebbia.
Se per calcolare l’intensità della diffusione di Rayleigh è sufficiente un’equazione molto semplice risolvibile con una calcolatrice, per la diffusione di Mie, soprattutto se applicata a particelle non sferiche, come agenti inquinanti o aerosol, sono necessarie insiemi di computer molto potenti.

Ci sono casi in cui la natura si manifesta con fenomeni del tutto inaspettati ma i cui effetti sono affascinanti quanto un tramonto, se non di più. Ciò avvenne, per esempio, nel 1883, anno in cui eruttò, o meglio, esplose il Krakatoa, famoso vulcano indonesiano. L’esplosione, calcolata intorno ai 200 megatoni (1300 volte più intensa della bomba di Hiroshima) distribuì nell’aria 21 chilometri cubi, fra ceneri e pomice, che andarono a distribuirsi in tutta l’atmosfera terrestre causando spettacolari, e alquanto incredibili, albe e tramonti per i mesi successivi. Le popolazioni in giro per il mondo poterono osservare il sole e la luna di colore verde/blu all’alba e al tramonto.

Sole Blu

Foto 3: Sole blu causato dallo smog presente nell'aria - Piana di Giza, Il Cairo, Egitto

É stato calcolato che la dimensione delle particelle che rimasero sospese nell’atmosfera erano tali da causare una diffusione della luce rossa, lasciando ai raggi verdi e blu di attraversare l’aria indisturbati. Man mano che il sole o la luna si avvicinavano all’orizzonte la componente blu della luce veniva diffusa secondo la legge di Rayleigh, e i tramonti si manifestavano con i dischi solari e lunari di un verde intenso. Il sole e la luna verdi/blu furono osservati anche in Europa nel settembre del 1950 a causa di devastanti incendi nelle foreste del Canada.

L’espressione anglosassone “Once in a blue moon – Ogni luna blu”, che corrisponde al nostro modo dire “Ogni morte di papa”, si riferisce alla rarità con cui si manifestano questi avvenimenti.
Sicuramente negli anni a venire la scienza scoprirà ancora di più sulle leggi naturali che governano tutti i fenomeni a cui possiamo assistere se osserviamo il cielo, ma fortunatamente possiamo dire che ancora oggi l’uomo si fa umile davanti all’infinito splendore di un tramonto.1 2

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Per contattare lautore dellarticolo scrivere a:
rainbow@ncscolour.it

1 G. Wyszecki, W. S.Styles, Color Science, 2° Ed., John Wiley & Sons, 2000
2 K. Nassau, The Physics and Chemistry of Color, 2° Ed., John Wiley & Sons, 2001

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