Perché il cielo è azzurro?

Il cielo è azzurro ma perché? Questa è una domanda che potremmo porci quotidianamente alzando il nostro sguardo al cielo. I raggi solari e l’atmosfera con le sue componenti, fanno si che il cielo assuma un colore azzurro. Non sempre però durante l’arco della giornata è azzurro perché? Di notte semplicemente non abbiamo radiazione solare, ma al tramonto? Quei bei panorami rossastri da cosa dipendono?

Pochi riflettono su questa domanda: per quale motivo il cielo è azzurro? Com’è noto, la luce visibile di color bianco proveniente dal Sole è composta dalla sovrapposizione di onde elettromagnetiche di diverse lunghezza d’onda. Queste variano dai 380 nm della radiazione che percepiamo come colore viola, fino ai 720 nm della radiazione che ci appare rossa, passando per il blu, verde, giallo, arancio.

Perché il cielo è azzurro? – Spettro visibile all’occhio umano.

Una volta raggiunta la Terra, un raggio solare interagisce con l’atmosfera. Quest’ultima è composta per il 78% da azoto e per il 21 % da ossigeno e il 2% di altri elementi composti da: argon, acqua (in forma di vapore, goccioline e cristalli di ghiaccio) e particelle solide (polveri, ceneri dai vulcani e sale dal mare). Gli effetti dell’interazione tra luce ed atmosfera dipendono dalla lunghezza d’onda della radiazione e dalle dimensioni degli oggetti su cui questa incide.
Ad esempio, le particelle di polvere e le goccioline d’acqua sono molto più grandi della lunghezza d’onda della luce visibile. In questo caso la luce viene riflessa in tutte le direzioni allo stesso modo, indipendentemente dalla propria lunghezza d’onda.
La luce rossa ha una lunghezza d’onda maggiore e tende a “scavalcare” le particelle più piccole senza “vederle”; questa luce, dunque, interagisce molto debolmente con l’atmosfera e prosegue la sua propagazione rettilinea lungo la direzione iniziale. Al contrario, la luce blu ha una lunghezza d’onda inferiore e si “accorge” della presenza delle molecole da cui è infatti riflessa in tutte le direzioni.

Perché il cielo è azzurro? – Il cielo blu dovuto alla riflessione in tutte le direzioni.

Il primo a calcolare la quantità di luce diffusa fu l’inglese Rayleigh, che arrivò alla formula finale che dice: la quantità di luce diffusa è inversamente proporzionale alla quarta potenza della lunghezza d’onda. Ne consegue che la luce blu è diffusa più di quella rossa di un fattore (700/400)4 ~ 10. Proprio nel Rayleigh scattering risiede la risposta alle domande che ci siamo posti all’inizio.
Nell’attraversare l’atmosfera, la maggior parte della radiazione di maggior lunghezza d’onda prosegue la sua traiettoria rettilinea. La luce rossa, arancione e gialla viene influenzata solo in minima parte dalla presenza dell’aria. Al contrario, la luce blu è diffusa in tutte le direzioni. In qualunque direzione si osservi, parte di questa luce giunge ai nostri occhi. Il cielo, pertanto, appare blu.
Vicino all’orizzonte il cielo è di un azzurro più chiaro perché la luce, per raggiungerci da questa direzione, deve attraversare più aria e viene diffusa maggiormente; pertanto siamo raggiunti da una minor quantità di luce blu.
Le nuvole e la nebbia ci appaiono bianche perché sono composte da particelle più grandi delle lunghezze d’onda della radiazione visibile, e diffondono tutti i colori allo stesso modo. Tuttavia, in particolari condizioni, è possibile che in aria si trovino in sospensione particelle più piccole.

Perché il cielo è azzurro? – Il cielo all’orizzonte assume un colore celeste chiaro.

Se fossimo sulla Luna, a causa dell’assenza di atmosfera (e della diffusione ad essa connessa), il cielo apparirebbe nero e il Sole sarebbe bianco. Sulla Terra, invece, in conseguenza del Rayleigh scattering, parte della componente blu è rimossa dai raggi diretti del Sole che pertanto ci appare giallo. Questo effetto è amplificato al tramonto, quando il Sole è vicino all’orizzonte. I raggi solari diretti attraversano uno strato maggiore di atmosfera e vengono maggiormente impoveriti della componente blu. Il Sole, dunque, diventa sempre più rosso man mano che il tramonto procede.

Perché il cielo è azzurro? – Il cielo al tramonto assume un colore rossastro.