Perché il cielo è blu e il tramonto rosso?

Il cielo è blu: questo è evidente a tutti, anche ai bambini. Allo stesso modo, il tramonto è rossastro. I due colori sono per forza complementari, poiché il fenomeno che ne determina il colore è comune.

cielo luce visibile spettro
A seconda della loro lunghezza d’onda, le onde elettromagnetiche vengono classificate diversamente. La luce visibile e’ solo una piccola parte dello spettro elettromagnetico.

La luce bianca del sole

La luce visibile è null’altro che un’onda elettromagnetica con una lunghezza d’onda compresa tra i 700 nanometri, a cui corrisponde il colore rosso, e i 400 nanometri, a cui corrisponde il colore viola. Tutte le lunghezze d’onda intermedie corrispondono alla sequenza dei colori di un arcobaleno. La luce gialla ha una lunghezza d’onda di circa 570 nanometri, quella verde di 500 nanometri, quella blu di 450 nanometri. I valori intermedi corrispondo alle altre sfumature.

Ma il nostro occhio non la fa così semplice: per via di come funziona, esso tende a mischiare i colori e a farcene vedere alcuni che non esistono sull’arcobaleno. L’esempio lampante è la luce bianca, come quella del sole. Qual e’ la lunghezza d’onda di una luce bianca? La risposta e’ che non esiste un’onda elettromagnetica unica che corrisponde alla luce bianca. Quindi perché vediamo il bianco?

Tre coni nell’occhio

All’interno del nostro occhio sono presenti cellule fotoelettriche il cui compito è di assorbire la luce dell’ambiente e tradurla in impulsi nervosi da mandare al cervello. Le cellule fotoelettriche sensibili al colore sono detti coni, per via della loro forma. Possediamo tre tipi di coni: uno sensibile alla luce rossa-arancione-gialla, uno alla luce giallo-verde ed uno alla luce blu-viola. Il colore che il nostro cervello percepisce dipende dalle proporzioni con cui si attivano i diversi coni, cosa che non è affatto scontata.

Una luce gialla pura, quindi di circa 570 nanometri, attiva i coni rosso-gialli e giallo-verdi. Ma gli stessi coni sono attivati nella stessa maniera se arrivano all’occhio simultaneamente una luce rossa, 400 nanometri, e verde, 500 nanometri. Se le intensità relative sono giuste, i coni si attivano nella stessa maniera di quando arriva la sola luce gialla: il nostro cervello percepisce la stessa cosa! Questo è il principio di funzionamento degli schermi delle TV, che hanno dei pixel rossi, verdi e blu (RGB). La luce gialla viene simulata accendendo i pixel rossi e verdi!

cielo arcobaleno yosemite
La luce bianca del sole attraversa le gocce d’acqua e viene divisa nelle sue componenti: questo crea il fenomeno dell’arcobaleno. Il secondo arco corrisponde alla luce che ha rimbalzato due volte all’interno della goccia d’acqua, per questo è più fioca e ha l’ordine dei colori invertito. (Jansen Fenstermacher)

Il bianco è la situazione in cui tutti i coni si attivano allo stesso modo: arriva ogni lunghezza d’onda possibile simultaneamente. Questo fenomeno fu scoperto da Isaac Newton, che notò come fosse possibile ottenere un arcobaleno facendo passare la luce bianca del sole in un prisma, che ne separa le componenti. La luce di un arcobaleno non è altro che la luce del sole separata in componenti dopo il passaggio nelle gocce d’acqua.

Diffusione di Rayleigh

Un’onda di luce che colpisce un piccolo corpuscolo – un granello di polvere o una molecola – è diffusa, ovvero rimbalza su di esso e muta la direzione in cui viaggia. Nell’atmosfera questo fenomeno è noto come diffusione di Rayleigh, il primo scienziato a studiare il fenomeno nel XXIX secolo.

La diffusione di Rayleigh è il fenomeno alla base del colore del cielo e del tramonto. La luce del sole attraversa l’atmosfera e una parte viene diffusa, sparpagliata, dai continui rimbalzi sulle molecole di ossigeno e azoto presenti nell’atmosfera. Se non vi fossero questi rimbalzi continui, vedremmo il sole nitido e un cielo nero, come nello spazio. Rayleigh scoprì che la percentuale di luce diffusa aumenta con l’inverso della quarta potenza della lunghezza d’onda. In parole povere, lunghezze d’onda minori vengono diffuse maggiormente. Potete fare il conto sulla vostra calcolatrice e vedreste che una luce blu (~400 nanometri) viene diffusa circa dieci volte più della luce rossa (~700 nanometri).

La luce blu si diffonde

Che vuol dire? Vuol dire che luce blu si sparpaglia molto di più di quella rossa. La componente rossa della luce del sole entra nella nostra atmosfera e viaggia dritta, relativamente indisturbata. D’altra parte la luce blu rimbalza in media molte volte, e ad ogni rimbalzo la sua direzione cambia finché finalmente non giunge al nostro occhio. Dato che la direzione da cui arriva è stata alterata molte volte, ci sembra che la luce blu arrivi da ovunque. Il cielo è blu.

Il sole continua a sembrarci bianco perché solo una minima parte della luce blu viene effettivamente sparpagliata: altrimenti il cielo sarebbe brillante come il sole! Quando il sole è a mezzogiorno, la luce solare attraversa la nostra atmosfera perpendicolarmente, percorrendo all’interno di essa una distanza relativamente breve di qualche decina di chilometri. Quando il sole è vicino all’orizzonte, la luce che arriva al nostro occhio ha colpito la terra, e quindi l’atmosfera, tangenzialmente. La luce ha attraversato una ben più grande quantità di atmosfera.

Al tramonto, una parte di luce rossa si diffonde intorno al sole e quindi vediamo un giallo-rosso in quella direzione. Un’altra fetta di luce rossa viaggia dritta finche’ non incontra le nuvole, sulle quali si riflette verso terra: vediamo le nuvole rosse. La componente blu e’ diffusa maggiormente e vediamo ancora il resto del cielo azzurro. (Ludovico Capparelli)

Che succede al tramonto? La luce blu si sparpaglia ancora di più, talmente tanto che la luce del sole che arriva non ha più una bella fetta di quella componente, e ora la vediamo rossa! Non solo, dato che tale porzione di atmosfera viene attraversata, si diffonde anche una parte di luce rossa; così tutto il cielo intorno al sole prende un colore rosso e giallo. In una giornata limpida e con una bella vista, potete anche vedere una striscia di verde che separa il rosso del tramonto dal blu del resto del cielo. Questo avviene poiché la luce verde, con una lunghezza d’onda intermedia, si diffonde in percentuale a metà tra quella blu e rossa.

La luna rossa e il cielo viola

Anche la luna, solitamente bianca, appare rossa o gialla quando è bassa sull’orizzonte: il motivo è lo stesso. La luce blu viene diffusa molto dall’atmosfera e ne rimane solo quella giallo-rossa. Tutto è correlato! Allo stesso modo, durante un’eclissi di Luna, questa appare rossa. Il motivo è che, mentre la terra si interpone tra il sole e la luna, la nostra atmosfera deflette tutta la luce blu del sole, lasciando passare meno disturbata quella rossa. La luna brilla della luce riflessa, ma le arriva solo quella rossa.

I lettori più astuti si potrebbero chiedere perché non vediamo il cielo viola, dato che quel colore ha una lunghezza d’onda minore del blu e dovrebbe essere diffusa maggiormente! È vero che la luce viola viene diffusa quanto, se non un poco di più, di quella blu. Qui entra il gioco il nostro occhio. La luce del cielo attiva in piccola parte il cono verde, quello “centrale” nello spettro, perché stimolato un poco dalla luce blu e, ovviamente, il cono blu-viola. Il nostro occhio è quindi maggiormente sensibile al blu che al viola e questa differenza compensa la minore diffusione. Il nostro occhio ci “inganna” e ci mostra un cielo azzurro.

Sono dottorando in Fisica alla Sapienza di Roma, dove svolgo ricerca su cosmologia primordiale e particelle elementari. Ho lavorato come Teaching Assistant alla UCLA. Sono fondatore di Bunte Kuh e mi occupo della divulgazione scientifica.

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